Zugbeeinflussungssystem S-Bahn Berlin

Das Zugbeeinflussungssystem S-Bahn Berlin (ZBS) ist ein neues, eigenständiges Zugsicherungssystem, das von der S-Bahn Berlin GmbH, der DB Netz AG und Siemens Transportation Systems in Braunschweig entwickelt wurde. Das ZBS ist technisch vom ETCS Level 1 abgeleitet, ist jedoch nicht kompatibel. Das ZBS wird die bisherigen Fahrsperren mit nachfolgendem Durchrutschweg zum nächsten Gefahrenpunkt ablösen – die Signale der ZBS Balisen übertragen dazu passende Begriffe, die im ETCS nicht definiert sind.

Geschichte

Bisherige Fahrsperre

Zukünftige Balisen

Die Berliner S-Bahn setzt bisher ein mechanisches, ebenfalls eigenständiges Zugbeeinflussungssystem mit sogenannten Bernauer Fahrsperren ein, das in den 1920er Jahren entwickelt wurde.^[1] Die Fahrsperren sind dabei so weit vor einem Gefahrenpunkt (einer Weiche, einer Bahnhofseinfahrt) positioniert, dass die mechanische Zwangsbremsung bei Überfahren des Haltsignals den Zug noch innerhalb der Zwischenstrecke vom Haltsignal zum Gefahrenpunkt – dem Durchrutschweg – sicher zum stehen bringen kann. Die Sicherheit des Durchrutschweges basiert jedoch auf der Annahme einer Höchstgeschwindigkeit des Zuges am Haltsignal, jedoch wird im bisherigen System dieses nicht überwacht. Daher kann der Triebfahrzeugführer fehlerhaft so schnell fahren, dass der Zeitpunkt der Zwangsbremsung wegen des mechanischen im festen Abstand vor dem Signal aufgebauten Systems der Fahrsperre nicht an den möglichen Durchrutschweg angepasst ist, was wiederholt zu Unfällen führte.

Das neue elektronische System soll das Sicherheitsniveau erhöhen. Das ZBS bedient sich einiger Elemente des auf europäischer Ebene standardisierten Zugsicherungssystems ETCS Level 1, bei der die ZBS Balisen technisch Eurobalisen sind, wodurch auch die fahrzeugseitige Technik aus erprobten Systemen abgeleitet werden kann, die bisher für ETCS entwickelt wurden. Da die Anforderungen im S-Bahn Bereich völlig anders sind als für InterCity-Züge, wurde auf eine Kompatibilität verzichtet.^[2] Da die Deutsche Bahn AG die S-Bahn Berlin als eigenständiges Bahnnetz betreibt, auf dem ausschließlich die eigenen Züge verkehren, war dieser Weg möglich.

Seit Mitte der 1990er Jahre – parallel zur Entwicklung des ETCS – wurden der Einsatz dieser Technik im Berliner S-Bahn System geplant, das Pilotprojekt zum Einsatz von Eurobalisen wurde dann auf der InnoTrans 2002 der Öffentlichkeit vorgestellt.^[2] Nach einem im August 2007 an Siemens erteilten Auftrag sollen nun 600 Fahrzeuge und 332 km Streckennetz umgerüstet werden. Die Kosten belaufen sich auf über 130 Millionen Euro.^[3]

Umrüstungsphase

Die grundsätzliche Eignung des Verfahrens wurde zunächst auf dem S-Bahn-Südring zwischen Hermannstraße und Sonnenallee erfolgreich nachgewiesen.^[3]

In den kommenden zehn Jahren soll die ZBS schrittweise die bisherige Sicherungstechnik ablösen (Stand 2010). Die Ausrüstung des 332 Kilometer langen S-Bahn-Netzes erfolgt in 20 Etappen. Dazu wird die Balisentechnik bei Neubauten Elektronischer Stellwerke (ESTW) sogleich integriert. Strecken mit vorhandenen ESTW müssen umgerüstet werden. Für jede Streckenetappe werden die dort eingesetzten S-Bahn-Züge rechtzeitig mit den neuen Anlagen ausgestattet. Ab 2011 werden dazu 500 Fahrzeuge der Baureihe 481 mit ZBS ausgerüstet, für die Fahrzeugausrüstung sind bis 2015 bisher 29,8 Mio Euro eingeplant.^[4]

Die Inbetriebnahme des ersten Abschnitts ist für den 24.Oktober 2011 zwischen Frohnau und Schönholz auf der Linie S1 vorgesehen.^[5] Noch 2011 wird mit der Streckenausrüstung aller Nord-Süd-Strecken (S1,S2,S25) begonnen.

Der Untersuchungsausschuss des Berliner Senats weist darauf hin, dass ab 2017 nahezu sämtliche Fahrzeuge der Baureihen BR 480 und BR 485 wegen der zeitlichen Fälligkeit eine nach §32 EBO vorgeschriebene Revision durchführen müssen. Durch die Auffahrunfälle in 2001 und 2002, bei denen Züge durch überhöhte Geschwindigkeit den Streckenanschlag und Durchrutschweg überlaufen konnten, wird erwartet, dass für eine weitere Zulassung der Einbau der ZBS erforderlich wird. Auch wenn für die ersten Fälligkeiten ein Weiterbetrieb der Züge ermöglicht wird, so gilt es als unwahrscheinlich, dass diese Verlängerung mehr als drei Jahre erlaubt wird. Daher wird ab voraussichtlich 2018 und nicht später als 2020 die ZBS Zugsicherung eine Zugangsvoraussetzung zum Streckennetz der S-Bahn Berlin sein. Aus wirtschaftlichen Gründen (die genannten Baureihen BR 480 und BR 485 müssten zur Revision auch andere Radwellen erhalten) wird dies nur die Altbaureihe BR 481 und eine neu zu beschaffende Triebfahrzeuggeneration betreffen.^[6][7]

Funktion

Mit dem ZBS sollen die bisher eingesetzten mechanischen Fahrsperren der S-Bahn ersetzt werden, mit denen die Vorbeifahrt eines Zuges am Halt-zeigenden Signal verhindert wurden. Statt der bisherigen Fahrsperren wird ein System aufgebaut, das sich auf Balisen im Gleis abstützt, die von der ZBS-Einrichtung auf dem Fahrzeug gelesen und ausgewertet werden. Die im Augenblick erlaubte Geschwindigkeit wird dabei im Fahrzeug aus den Informationen der letzten Balisen und der seit dieser Balise zurückgelegten Wegstrecke errechnet.

Im Gegensatz zu den Vorgaben in ETCS Level 1 wird auf den Gebrauch von Euroloops verzichtet. Bei einem Halt-Vorsignal wird mit verringerter Geschwindigkeit an das Hauptsignal herangefahren, wobei für das Erreichen des Hauptsignal nicht eine Geschwindigkeit Null sondern eine maximale Durchfahrgeschwindigkeit vorgegeben wird (Releasegeschwindigkeit, siehe unten). Insbesondere auf den Stammstrecken mit ihrer Bündelung von Linien (in Berlin besonders die Stadtbahn-Strecke) tritt jedoch häufig der Fall auf, dass nach einem Halt-Vorsignal das Hauptsignal auf Fahrt steht. Anstatt der Euroloop-Infills wird stattdessen mit Aufwerte-Balisen gearbeitet, um eine flüssige Fahrt zu ermöglichen.

ZBS-Balisen

Balisen sind mittig im Gleisbett bzw. auf Schwellen in rechteckigen gelben Gehäusen montierte Informationsträger. Die in der Balise enthaltenen Daten werden an den darüber fahrenden Zug übermittelt. ZBS nutzt sowohl Festdatenbalisen mit unveränderlichem als auch Transparentdatenbalisen mit veränderlichem Dateninhalt. Überwiegend werden Balisengruppen aus zwei Balisen, einer Festdatenbalise und einer Transparentdatenbalise, eingesetzt. Die Festdatenbalise überträgt dabei z. B. immer gleichbleibende Daten zur Positionsbestimmung, die Transparentdatenbalise z. B. den veränderlichen Signalbegriff und fahrwegbezogene Daten. Beim ZBS überträgt eine Balisengruppe immer nur Daten für eine Fahrtrichtung, beim Überfahren in entgegengesetzter Richtung werden die Daten nicht beachtet.

Die Transparentdatenbalise wird wie beim ETCS über ein Datenkabel durch eine Lineside Electronic Unit (LEU) angesteuert. Diese bezieht den gerade angezeigten Begriff des zugehörigen Signals durch Messung des Stromes der jeweiligen Signallampe (Halt- oder Fahrtgegriff) und bestimmt auf Basis dieser Informationen die entsprechenden Datentelegramme der Balise.

Fahrzeugausrüstung

Die Fahrzeugausrüstung basiert auf dem Siemens ZUB 242. Sie beinhaltet neben dem Balise Transmission Module (Balisenempfänger) auch ein präzises odometrisches Gerät für die Entfernungsmessung, die modulare Führerraumanzeige (MFA) und einen Bordrechner.

Die Führerraumanzeige stellt – anders als bei der Linienzugbeeinflussung (LZB) – keine vollständige Führerstandsignalisation dar, sondern zeigt lediglich die nach der errechneten Bremskurve erlaubte Geschwindigkeit und die aktuelle Releasegeschwindigkeit an.

Releasegeschwindigkeit und Aufwertebalise

Beim ZBS werden die Informationen punktförmig über die Balisen übertragen. Das bedeutet, dass ein Zug nicht kontinuierlich, sondern immer nur an bestimmten Punkten Informationen erhält. Daher bekommt ein Zug, nachdem er an einem 'Halt erwarten' zeigenden Vorsignal vorbeigefahren ist, keine Information, wenn das Hauptsignal in der Zwischenzeit auf 'Fahrt' gewechselt ist. Zur Wiederholung des Vorsignalbegriffs steht lediglich eine Aufwertebalise zur Verfügung, die zwischen Vorsignal und Hauptsignal installiert werden kann.

Damit der Zug trotzdem weiterfahren kann, wird eine Releasegeschwindigkeit (= maximal zulässige Weiterfahrgeschwindigkeit) übertragen, mit der der Lokführer am Hauptsignal vorbeifahren darf (natürlich nur wenn das Signal 'Fahrt' zeigt). Die Releasegeschwindigkeit wird so bemessen, dass der Zug auf der Distanz zwischen Hauptsignalbalise und Gefahrenpunkt immer sicher zum Stehen kommt. Diese Distanz bezeichnet man als Durchrutschweg. Ist der zur Verfügung stehende Durchrutschweg jedoch sehr kurz, muss die Releasegeschwindigkeit entsprechend niedrig festgelegt werden. Wenn ein Zug sich nun mit dieser sehr niedrigen Releasegeschwindigkeit dem Hauptsignal nähert, dauert es sehr lange, bis er dieses erreicht. Dies führt nicht nur zu einer längeren Fahrzeit dieses Zuges, sondern auch zu einer insgesamt reduzierten Streckenkapazität. Die Releasegeschwindigkeit beim ZBS beträgt maximal 40 km/h.

Durch die Installation einer Aufwertebalise ist die Situation verbessert, wenn die Signalstellung auf 'Fahrt' wechselt, während sich der Zug zwischen Vorsignal und Aufwertebalise befindet. In diesem Fall darf er nämlich bereits ab der Aufwertebalise wieder mit voller Geschwindigkeit fahren. Eine Aufwertebalise stellt eine Infill-Lösung mit punktförmiger Übertragung dar. Eine Infill-Lösung mit kontinuierlicher Übertragung wie der Euroloop bei ETCS Level 1 ist beim ZBS nicht vorgesehen.

Vorteile, Nachteile und Vergleich mit ETCS

Der Verzicht auf eine kontinuierliche Datenübertragung, wie z.B. dem abschnittsweise verlegten Euroloop des ETCS Level 1 oder der Linienzugbeeinflussung) verringert zwar den Kostenbedarf, führt aber zu einer geringeren Streckenkapazität. Die Übernahme der bisherigen Durchrutschwege in die Gestaltung der Fahrtüberwachung ist ein schrittweiser Umbau der Strecken möglich, bei der die LEUs wahlweise mit dem ehemaligen Fahrtsignal verbunden werden können (Messung der Signallampe) oder mit den Ausgabesignalen des elektronischen Stellwerks verknüpft werden. Die Einführung kann daher in den Rahmen anderer Wartungs- und Modernisierungsaufgaben eingebunden werden. Die Software des Stellwerks ist dabei mit der Balisenanordnung kompatibel, während neuere Software (hier Siemens Simis D) mit den bisherigen mechanischen Fahrtsperren nicht mehr umgehen kann.

Durch die geringe Anzahl an Fahrzeugserien, welche auf den targetierten Strecken fahren, konnte auf komplexe Berechnungen auch für hohe Massen bzw. geringerere Bremskraft, wie sie zum Beispiel bei Güterzügen vorkommen, verzichtet werden, und es wird für alle Züge eine einheitliche Bremskurve angewandt. Diese Anwendung erlaubt eine engere Staffelung der Blockabschnitte gegenüber konventionellen Bahnstrecken, welche auch mit Zügen größerer Masse und geringerer Bremskraft befahren werden.

Durch die vergleichsweise geringen Geschwindigkeiten der S-Bahn im Vergleich mit Intercity-Zügen können die Zusatzbalisen sehr eng gestaffelt werden (vier Schwellen Abstand), die dennoch das ETCS-Telegramm gesichert übertragen können, und erlauben so auch auf dicht befahrenen Strecken eine flüssige Fahrt – in den Vorortlinien kann dagegen auch ohne Aufwertebalisen gearbeitet werden.

Erweiterungen und Anpassungen der Betriebsverfahren sind im ZBS zukünftig leichter umsetzbar als der Umbau der bisherigen elektromechanischen Systeme. Das ZBS basiert bis auf die obersten Schichten der Steuerungssoftware durchgängig auf ETCS-Komponenten – Fahrtrechner, die für ETCS entwickelt worden sind, können durch Softwareanpassung für den Betrieb im ZBS erweitert werden.

Da die Deutsche Bahn AG die S-Bahn Berlin als eigenständiges Bahnnetz betreibt, auf dem ausschließlich die eigenen Züge verkehren, konnte eine zum allgemeinen Bahnnetz inkompatible Lösung gewählt werden. Dieses stellt jedoch eine Zugangshürde dar, die durch die Harmonisierung der europäischen Bahnen auf ETCS eigentlich abgeschafft werden sollten. Tatsächlich hat die Stadt Berlin sich nach dem Beschluss zum neuen Zugsicherungssystem entschieden, dass der Betrieb eines Großteil des S-Bahn-Netzes ausgeschrieben werden soll. Für die Wettbewerber der Deutschen Bahn AG stellt das proprietäre Zugsicherungssystem nun eine zusätzliche Hürde dar.

Weblinks

• Videovortrag zum ZBS, Tobias Grimmel, Technische Universität Berlin, 3. Dezember 2009

Einzelnachweise

1. ↑ Neue Sicherheitstechnik für die S-Bahn, Die Welt, 7. März 2008
2. ↑ ^{a b} ZBS Pilotprojekt der S-Bahn-Sicherungstechnik, Bericht der S-Bahn Berlin GmbH, 8. Oktober 2002
3. ↑ ^{a b} Oliver Schumacher: Deutsche Bahn entwickelt neues Zugsicherungssystem für Berliner S-Bahn. Deutsche Bahn AG, 23. Juni 2010, abgerufen am 25. Juni 2010. 
4. ↑ Aktuelle Betriebseinschränkungen S-Bahn Berlin – Hintergründe, Maßnahmen, Ausblick, Abschnitt Sonstige Technik Themen, S-Bahn Berlin GmbH, 6. Januar 2011
5. ↑ Übersicht über große Baumaßnahmen im S-Bahn-Netz 2011, Kundenzeitung punkt3 – Ausgabe vom 24. März 2011. Abgerufen am 6. April 2011.
6. ↑ Zwangsbremsung bei zu hohem Tempo. Berliner Zeitung (24. Juni 2011). Abgerufen am 7. Oktober 2011.
7. ↑ Abschlussbericht des Arbeitskreises Fahrzeuge der Berliner S-Bahn (Kurzfassung) (pdf) (29. Juli 2011). Abgerufen am 7. Oktober 2011.