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ETCS Level 1 in the context of digital interlocking technology

Laumen, Peter^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Peter Josef Laumen

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Nießen, Nils (Thesis advisor)^RWTH* ; Milius, Birgit (Thesis advisor) ; Gralla, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-06-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-10380
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/972726/files/972726.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Schienenbahnwesen und Verkehrswirtschaft und Verkehrswissenschaftliches Institut (313110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bahnbetrieb (frei) ; DSTW (frei) ; Digitalisierung (frei) ; ETCS (frei) ; Leistungsfähigkeit (frei) ; Level 1 FS (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Digitalisierung als ein bedeutender globaler Trend hält auch Einzug in die Signaltechnik. Viele Aspekte des Schienenbahnverkehrs sollen durch die Digitalisierung verbessert und optimiert werden. Dies reicht von Big Data zur prädiktiven Instandhaltung bis hin zur Vernetzung der Sicherungssysteme und Stelleinheiten über IP-Netzwerke. ETCS als Zugsicherungssystem soll einen europaweiten interoperablen Zugverkehr ermöglichen. Dazu ist es jedoch auch notwendig, internationale und harmonisierte Betriebsverfahren zu schaffen. Jedes Land hat seine eigenen Zugsicherungssysteme, was internationalen Verkehr aufwendig gestaltet. Zum einen müssen Triebfahrzeugführer in den verschiedenen Systemen geschult sein und zum anderen müssen die Züge mit den verschiedenen Systemen ausgestattet sein. Da vielfach eine Zielarchitektur mit ETCS Level 2 angestrebt wird, werden die Grundlagen der Funktechnologie mit ihren Vor- und Nachteilen dargestellt. Dabei ist zu bedenken, dass ein Funksystem wie GSM-R eine eigene Infrastruktur ist. Ein solches System wird in entsprechenden Zyklen durch neue Technologien angepasst. Diese Zyklen entsprechen nicht den langlebigen Zyklen der Eisenbahnsicherungstechnik. Migrationskonzepte sind notwendig, um einen langen und aufwendigen Übergang zwischen den Technologien zu ermöglichen. ETCS ist von der Europäischen Union als ein solches System spezifiziert worden. Die Entwicklung begann Ende der 80er Jahre. Eine europaweite, flächendeckende Einführung gab es bisher nicht. Lediglich die Staaten Luxemburg und Schweiz haben ETCS flächendeckend eingeführt, in Dänemark läuft aktuell der Rollout. Viele Forschungs- und Implementierungsprojekte untersuchen die Migration zu ETCS um ein möglichst optimales System zu installieren und an den vielfältigen Anforderungen anzupassen. Dabei wird ein verbesserter Bahnbetrieb und eine Erhöhung der Kapazität avisiert. Der Level 1 war zunächst nur als Zwischenschritt einer Migration zu Level 2 oder Level 3 vorgesehen. Die Anwendung von ETCS in dieser Arbeit forciert den Level 1 im Modus FS als vollwertigen ETCS Level. Diese Arbeit betrachtet die Interaktion von digitalem Stellwerk und ETCS mit einem Fokus auf Level 1. Als digitales Stellwerk wird dabei ein Stellwerk angenommen, welches auf telegrammbasierter Kommunikation zwischen allen Komponenten (Bahnübergang, Bediensystem, RBC, Feldkomponenten) basiert. Ob dabei IP-basierte Netzwerke oder Buskommunikation verwendet wird, ist is Rahmen dieser Arbeit von untergeordneter Bedeutung. Führerstandssignalisierung wird als Grundlage für einen modernen Bahnbetrieb festgelegt. Dadurch werden ortsfeste Signale nahezu bedeutungslos. Dies erlaubt Einsparungen in der streckenseitigen Ausrüstung. Die daraus resultierenden Rahmenbedingungen, insbesondere bei einer Anwendung von Level 1 FS werden dabei betrachtet. Ein besonderes Feature stellt die direkte Anbindung der Balisen an das Stellwerk dar, ohne Lampenströme der Signale zu messen. Um die Architektur zu bewerten, werden die Auswirkungen der neuen digitalen und integrierten Stellwerksarchitektur auf den Betrieb betrachtet. Dabei werden die Vorteile, insbesondere der Führerstandssignalisierung, untersucht. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der innovativen Anbindung der Balisen an das Stellwerk und der daraus resultierenden hohen Informationsdichte an der Balise. Die Trennung von Rangierfahrten und Zugfahrten wird obsolet, da die Vorsignalisierung entfällt. Vorhandene Freimeldeabschnitte können genutzt werden, um zusätzliche Blöcke einzurichten. Mindestblocklängen können aufgrund der Führerstandssignalisierung reduziert werden. Auch die Anbindung von Ausweichanschlussstellen wird durch die neue Architektur vereinfacht. Eine weitere Betrachtung bezieht sich auf die Kapazität und Leistungsfähigkeit. Diese wird ebenfalls durch die neue Architektur gesteigert. Dies liegt jedoch nicht in der Anwendung von ETCS, sondern vielmehr in der Errichtung zusätzlicher Blockabschnitte, der Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit und der Verbesserung der Infill-Standorte. Weitere Bewertungkriterien sind der Energieverbrauch, IT-Security, signaltechnische Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Projektierung. In all diesen Bereichen ergeben sich durch die neue Architektur Verbessserungen. Die für eine dezentrale Stellwerkstopologie ausgelegte Architektur wird den Energieverbrauch verbessern und der IT-Security ein minimales Angriffspotential bieten. Weniger Komponenten für Kommunikation sind notwendig (was den Energieverbrauch reduziert, bzw. nicht erhöht) und mit einer minimalen Kommunikation über offenen Netze und stärkeren Einsatz von abgeschlossenen Netzen reduziert die Notwendigkeit für Cybersecurity. Insbesondere die Kommunikation der sicheren Elementen, d. h. der Stellwerke mit den Feldelementen wird über geschlossene Netze abgewickelt. Durch die intelligente Ansteuerung der Balisen, können Balisengruppen zusammengelegt und somit die Kosten für die Streckenausrüstung reduziert werden.

Digitisation, as a major global trend, is also making its way into railway signalling technology. Many aspects of rail traffic are to be improved and optimised through digitisation. This ranges from big data for predictive maintenance to digital interlocking (IL) basing on IP networks. The European Train Control System (ETCS) should enable interoperable rail traffic throughout Europe as a standardised Automatic Train Protection (ATP) system. However, this also requires the definition of international and harmonised operating procedures. Each country has its own ATP system, making international traffic complex. On the one hand, drivers must be trained in the different systems and on the other hand, trains must be equipped with the various systems. A lot of countries throughout Europe propose ETCS Level 2 as a target. ETCS Level 2 requires mobile radio communication. Therefore, the fundamentals of radio communication with its advantages and disadvantages are presented. Considering that a radio communication system such as the Global System for Mobile Communications - Rail (GSM-R)is a separate infrastructure, its technology is modernised in certain cycles. These cycles do not correspond to the long-term cycles of railway signalling technology. Migration concepts are necessary for an optimal transition between technologies. ETCS has been specified by the European Union (EU). The development began in the late 1980s. There has not yet been a Europe-wide, comprehensive introduction. Only the states of Luxembourg and Switzerland have introduced ETCS in their whole network, Denmark is still in progress. Many research and implementation projects examine the migration to ETCS. Also the adaption of operating rules and improvement of safety systems (IL & ETCS) is in the focus of such research projects. The overall topic is the improvement of railway operations and increase of capacity. Level 1 was initially considered as a level for migration to Level 2 or Level 3. The application of ETCS in this thesis discusses Level 1 Full Supervision (FS) as a full ETCS level. This thesis considers the interaction of a digital IL and ETCS, focusing on Level 1. The digital IL bases on modern bus or network communication to further safety systems (levelcrossing, control system, RBC) and the field components (axle counter, signal, point). Cab-signalling is the fundament for modern railway operation. This makes fixed signals almost useless in means of safety function and allows savings in trackside equipment. A special feature is the telegram-based interface between the balises and the IL without the need of measuring the signal’s lamp currents. The impact of the new digital and integrated IL architecture on operations is considered to evaluate the architecture. The advantages, especially of cab-signalling, are examined. Another advantage results from the innovative connection of the balises to the IL and the resulting high information density at the balise. The separation of shunting movements and train movements becomes obsolete, as presignalling is no longer required. Existing track section are used to set up additional blocks. Minimum block lengths are not depending on the pre-signalling and braking distance due to cab-signalling. The new architecture also simplifies the connection of sidings. The new architecture also impacts capacity. ETCS enables an increase in capacity by establishing multiple block sections, increasing the average speed and improving infilllocations. Further evaluation criteria are energy consumption, security, safety, economic efficiency and project planning. Improvements in all these areas results with the new architecture. The architecture designed for a decentralised IL topology will improve energy consumption and offer the minimal potential for security attacks. Fewer components are needed for communication (which reduces or does not increase energy consumption), and with minimal communication over open networks and greater use of closed networks, the need for security measures is reduced. In particular, the communication of the several components of the safey systems, i.e. the IL with the field elements, is handled via closed networks. Through the intelligent control of balises, groups of balises can be combined, which reduces the cost of trackside equipment.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT030591887

Interne Identnummern
RWTH-2023-10380
Datensatz-ID: 972726

Beteiligte Länder
Germany