Positive Train Control

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Positive Train Control (PTC) ist ein Zugleitsystem, das in den USA zur Ergänzung der Zugsicherungssysteme entwickelt wird. Es gibt verschiedene technische Umsetzungen für ein PTC System, die den Anforderungskatalog der Eisenbahnbehörde FRA erfüllen. Dabei gibt es eine De-facto-Standardisierung zur Einführung eines digitalen und computerisierten Zugfunks, dem PTC Radio auf 220 MHz.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Untersuchungen der 1990er Jahre haben gezeigt, dass es im Mischbetrieb von Güterverkehr und zunehmend schnellem Personenverkehr zu Sicherheitsproblemen kommt, die durch die bisherigen Zugsicherungsverfahren nicht abgedeckt werden können. Das "Pulse Code Cab Signaling"-Verfahren ist zwar mit verschiedenen Erweiterungen versehen worden, sowohl für den Betrieb von Stadtbahnnetzen als auch den Hochgeschwindigkeitsverkehr. Allerdings sind diese Erweiterungen untereinander inkompatibel. Der US-Kongress hat 2008 gefordert, dass bis 2015 ein einheitliches "Positive Train Control"-System eingeführt wird (Rail Safety Improvement Act, veröffentlicht am 16. Oktober 2008). Es gab anschließend noch Diskussionen, da der Beschluss ein "Unfunded Mandate" ist (also keine finanzielle Unterstützung aus dem Bundeshaushalt beinhaltet), jedoch hat die Eisenbahnbehörde (Federal Railroad Administration) am 12. Januar 2010 klar das positive Kosten-Nutzen-Verhältnis betont und die Eisenbahngesellschaften zur Umsetzung verpflichtet.[1]

Die Eisenbahnbehörde FRA nennt in ihren Zielvorstellungen: "die Errichtung eines Nationalen Differential-GPS (NDGPS) als landesweites, einheitliches und unterbrechungsfreies Ortungssystem, das geeignet ist für den Zugbetrieb".[2], "Verbesserung des Technikstandards des Planungswesens und der Zugbetriebsysteme"[2] sowie "Umsetzung von Sicherheitsrichtlinien nach aktuellem Standard der FRA".[2] Der Industrieverband der Streckenausrüster AREMA beschreibt die Anforderungen an das Positive Train Control[3] mit folgenden Punkten: Blockkontrolle oder Kollisionsvermeidung, Geschwindigkeitskontrolle, zeitweilige Geschwindigkeitsherabsetzungen, Sicherheit bei Streckenarbeiten.

Kurz nach der Beschlussfassung des Rail Safety Improvement Act (RSIA) 2008 konkurrierten mehrere Ansätze für die Umsetzung der Anforderung als PTA-System. Im Frühjahr 2009 gab es 11 PTC-Projekte bei 9 verschiedenen Bahngesellschaften in 16 Bundesstaaten. Um eine Standardisierung zu fördern, gründeten UP, BNSF, CSX und NS das Interoperable Train Control Committee (ITC). Dieses legte dann Nachrichtenformate, Bremskurven, Hardwareplatform und die Nutzung des 220-MHz-Bandes fest.[4]

In einer Stellungnahme von 2012 an den Kongress nannte die FRA zwei vorhandene Zugleitsysteme, die als Grundlage für ein PTC-System in Frage kommen. Dazu gehört das Advanced Civil Speed Enforcement System (ACSES) von Amtrak, und das vom Zulieferer Wabtec definierte I-ETMS (Interoperable Electronic Train Management System). Grundsätzlich gilt die Technologie des europäischen ETCS als eine mögliche Grundlage eines PTC-Systems, es wird jedoch nur für die Strecken des California High-Speed Rail diskutiert.[5] Ähnlich wie beim ERTMS die wesentlichen Komponenten aus ETCS und GSM-R besteht, würden dann ETCS-Komponenten mit PTC Radio für die Kommunikation verbunden.

Einige vorhandene Systeme, die Anforderungen eines PTC Systems erfüllen, müssen im weiteren Verlauf ersetzt werden. Insbesondere das Electronic Train Management System (ETMS) von Wabtec ist inkompatibel zum I-ETMS und vorhandene Lokomotiven werden umgerüstet. Das Communications Based Train Control (CBTC) der Port-Authority Tans-Hudson gilt als ähnlich zum ACSES und kann ergänzt werden. Andere Gesellschaften nutzen für die Nachrüstung der Lokomotiven das Display aus dem I-ETMS Angebot, womit sich eine De-facto-Standardisierung ergibt. Das I-ETMS-Display wird dabei zusätzlich zum vorhandenen Display, etwa der PCCS-Anzeige, installiert.[5] Bei der Streckenausrüstung wurden wiederum die ACSES Funkstationen, die auf 900 MHz an die mit ACSES ausgerüsteten Züge senden, um zusätzliche Sender auf 220 MHz für den Empfang durch Güterzüge ergänzt.[4]

Die ursprüngliche Zielvorstellung, bis Jahresende 2015 eine landesweite Nutzung von PTC-Systemen auf Strecken mit Mischverkehr von Güterzügen und Personenzügen zu erreichen, wurde verfehlt. Im Juni 2015 meldeten nur 7 Gesellschaften, die im Verband amerikanischer Nahverkehrsgesellschaften (APTA) organisiert sind, dass sie den Termin schaffen werden. Zwar hat Metrolink (Los Angeles) im Februar 2014 die ersten Strecke mit PTC in Betrieb genommen, hat jedoch den bisherigen Ausrüster ARINC durch einen Direktvertrag mit Wabtec ersetzt, um im Laufe des Jahres 2015 das Gesamtnetz und die Lokomotiven noch fristgerecht mit PTC versorgen zu können.[6] Das PTC System der METRA (Chicago) wird dagegen voraussichtlich erst 2019 vollständig funktionsfähig sein.[7]

Umsetzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es gibt derzeit zwei Verfahren, die sich in der Entwicklung befinden.

Zum einen findet sich ein funkgestütztes Zugleitsystem, das mit den Fahrtrechnern der Güterzüge kommuniziert. Diese haben heute schon weitläufig die Streckenprofile abgespeichert, und sollten durch Funknachrichten mit Änderungen wie zeitweiligen Geschwindigkeitsbeschränkungen und Verkehr über das Gegengleis auf den jeweilig aktuellen Stand gehoben werden. Ein funkgestütztes System hat auch den Vorteil, in den "dark territories" ohne streckenseitige Signalisierung zu funktionieren - selbst die Gleisfreimeldungen können dann über Funkfreigaben (movement authorities) erfolgen. Ähnliches ist dort schon bisher üblich, die Fahrterlaubnis wird allerdings schlicht durch Sprechdurchsagen an den Zugführer zugestellt, eine automatische Kontrolle im Fahrtrechner ist so nicht möglich.

Der Anwendungsfall ohne Streckensignale ist vergleichbar mit der ERTMS Regional Ausprägung in Europa, die mit GSM-R als Funksystem arbeitet. Allerdings wird in den USA auf das TETRA-ähnliche APCO-P25-Funksystem der US-Behörden zurückgegriffen. Die Positionsmeldung soll in den "dark territories" durch GPS erfolgen, zumal viele Strecken dort ohnehin nur eingleisig sind, und bei Bedarf durch Differential GPS die Genauigkeit verbessert wird, so dass eine Eindeutigkeit zum Gleis immer gegeben ist.

Ein ausschließlich funkgestütztes Zugleitsystem hat jedoch Einschränkung im Mischverkehr mit Hochgeschwindigkeitszügen und bei sehr hohen Taktraten. Dort ist eine streckenseitige Zugsicherung zwingend erforderlich. In einer Stellungnahme des Eisenbahnverbandes AAR (Association of American Railroads) wird diesbezüglich auf das bestehende ACSES (Advanced Civil Speed Enforcement System) verwiesen,[8] das von Amtrak für den Hochgeschwindigkeitsverkehr im Nordostkorridor installiert wurde (getestet 2000–2002 zwischen New Haven und Boston, nachfolgend bis Washington ausgedehnt[1]). Jenes System basiert auf Eurobalisen, allerdings ist es vom europäischen ERTMS zu unterscheiden, da die Fahrbegriffe des Pulse Code Cab Signaling derzeit Vorrang haben und kein GSM-R verwendet wird.

In der Praxis werden bei Positive Train Control auf den hochbelasteten Strecken drei Systeme ineinandergreifen, das Pulse Code Cab Signaling für die Führerstandsignalisierung, Balisen für Positionsmeldung und automatische Gleisfreimeldung auch bei Funkproblemen, sowie ein "Communication-Based Train Management (CBTM)"-Anteil für Updates der Streckenprofile in den Fahrtrechnern und Fahrfreigaben nach einer Zwangsbremsung (Automatic Train Stop).

Für die Funkfrequenz des PTC-Radios wurde mehrere Vorschläge eingebracht, einschließlich einer multi-band Lösung beim Advanced Train Control System (ATCS) der Bahngesellschaft AAR mit mehreren Frequenzen bei 160 MHz und 900 MHz (das alte EMTS hat 160 MHz verwendet, ACSES hat 900 MHz verwendet). Diese Einführung wurde jedoch gestoppt, als durch Betreiben der FRA die Frequenz von 220 MHz für den nationalen Frachtverkehr schon im Rail Safety Improvements Act von 2008 verankert wurde. Diese Frequenz basiert auf einer privaten Initiative zweier Bahngesellschaften, die 2007 eine gemeinsame Firma "PTC 220 LLC" ausgegründet haben, um Rechte in diesem Frequenzspektrum zu kaufen. Die anderen Class 1 AAR Gütereisenbahnen haben sich später beteiligt und die Frequenzen ihres Betriebsfunks teils zur Verfügung gestellt. Einige der PTC-220-Frequenzen stehen landesweit zur Verfügung (18 Kanäle im Bereich 220-222 MHz), andere sind derzeit nur regional nutzbar (im Bereich 217-220 MHz). Da in einigen Fällen das Spektrum nicht ausreichen wird (es werden regional 20-40 Kanäle benötigt), sind FRA und Bahngesellschaften dabei, anderen Nutzungen umzusiedeln, um mehr Frequenzen für den Frachtverkehr mit PTC bereitzustellen. Als weitere Schwierigkeit wird gesehen, dass in Kanada das obere 1,25-Meter-Band (222-225 MHz) noch komplett für den Amateurfunk bereitsteht, gerade aus diesem Frequenzbereich jedoch mehr Bandbreite geschöpft werden könnte.

Die Transportebene der Nachrichtenaustauschs wurde unter Federführung der Firma Meteorcomm festgelegt. Diese stellten frühzeitig ein Software Defined Radio Modul (MCC SDR) bereit, das in Lokomotiven, an Signalen und in Stellwerken für den Test der Funkwege verwendet wurde. Meteorcomm hat außerdem das ITCnet aufgebaut (Interoperable Train Control Network), das die Betriebszentralen aller großen Bahngesellschaften in den USA miteinander verbindet. Vom ITCnet gibt es auch Interfaces zum Funknetzwerk (ITCR - 220-MHz-ITC-Radio-Network), den Systemen des Systems Management Frameworks (ITCSM) und anderen Transportkanälen (IP, 3G, Satellit, WLAN). Die Protokollstapel des ITC-Messaging (ITCM) erlauben dabei eine Verknüpfung aller Systeme unabhängig vom verwendeten Verbindungstyp. Abseits der ITCR-Funkschnittstelle werden die ITC-Nachrichten mit einem EMP-Header (Edge Message Protocol) für den Transport durch ein IP-Netz versehen. Die EMP/IP-Nachrichten können dabei Punkt-zu-Punkt (Class D - TCP/IP) oder mittels Message-Broker (Class C - AMPQ) verteilt werden.

Zur Adressierung werden im EMP-Header für alle Züge IDs im Format der vorhandenen ACSES-Definition genutzt. Dies erlaubt eine direkte Weiternutzung der ACSES Streckenausrüstung. Auch die ACSES Züge erhalten Freigaben und zeitweilige Geschwindigkeitsbeschränkungen (TSR - Temporary Speed Restriction) per Funk (keine Verwendung von Transparentdaten-Balisen). Der wesentliche Unterschied zu Nachrichten über I-EMTS-PTC-Radio besteht darin, dass in ACSES-Bereichen die Ortsangaben sich auf Abstände zu den nächsten Balisen beziehen, anderweitig jedoch auf GPS-Koordinaten.[9]

Kritik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Positive Train Control System steht insbesondere in der Kritik, da es in wesentlichen Teilen nicht auf die Erfahrungen des European Rail Traffic Management System (ERTMS) zurückgreift. Die Erfahrungen mit ERTMS haben viele Schwierigkeiten aufgezeigt, sodass von einer zügigen Umsetzung nicht ausgegangen werden kann. Andererseits stand das European Train Control System (ETCS) in den USA immer in der Kritik, dass es mit seiner reichhaltigen Streckenausrüstung sehr teuer ist (siehe auch ERTMS Regional).

Die Umsetzung von PTC wird schon nach heutiger Schätzung mindestens 10 Milliarden US-Dollar kosten. Gleichzeitig wird die rein private Umsetzung als problematisch gesehen: Aufgrund des Unfunded Mandate hat die Eisenbahnaufsicht FRA keinen Einfluss, wann welche Strecken mit einem gewissen Umfang mit PTC-Elementen ausgerüstet werden, sodass es zu erheblichen Ungleichgewichten im Markt kommen kann, wenn an alten Zugbeeinflussungssystemen festgehalten wird.

Hinzu kommen technische Einschränkungen, da durch schlechte Wetterbedingungen etwa die Satellitenortung beeinträchtigt werden kann. Die Eisenbahnbehörde FRA hat schon bestätigt, dass die Sicherheitsabstände vergrößert werden müssen. Das europäische LOCOPROL/LOCOLOC Projekt hatte schon früher gezeigt, dass mit EGNOS-unterstützter Satellitenortung allein die Schranken der SIL-4-Sicherheits-Kriterien verfehlt werden, die für den Zugbetrieb notwendig sind.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • KLUB-U - russische Zugsicherung mit Einbindung von GLONASS-Satellitenortung und elektronischen Streckenkarten

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b http://www.fra.dot.gov/downloads/Safety/PTC_Final_Rule_20100112_(FedReg)_(final).pdf
  2. a b c "Railroad Research and Development Program - Section 4.6 Train Control", Federal Railroad Administration : Freight Railroading, "Objectives of this program will be: (*) To apply the state of the art of safety review and assurance for safety-critical systems within the FRA’s regulatory environment. (*) To deploy the Nationwide Differential Global Positioning System (NDGPS) as a nationwide, uniform, and continuous positioning system, suitable for train control. (*) To advance the state-of-the-art in tactical and strategic planning and railroad network control systems."
  3. http://www.arema.org/eseries/scriptcontent/custom/e_arema/comm/c37/05-01-08/AREMA_MP_23-2-1_New_2008_Mar_F.doc
  4. a b Positive Train Control - White Paper. Transit Wireless Communications. Mai 2012.
  5. a b Positive Train Control - Implementation Status, Issues, and Impacts. Federal Railroad Administration. August 2012.
  6. Weikel, Dan (January 24, 2014) "Metrolink to replace contractor to avoid train control project delays" Los Angeles Times
  7. Most Commuter Rails Won't Meet Deadline For Mandated Safety Systems. NPR. 3. Juni 2015. Abgerufen am 4. Februar 2016.
  8. http://www.aar.org/NewsAndEvents/PressReleases/2008/09/092408_Statement_on_railsafety_bill.aspx
  9. PTC on Amtrak?. Federal Railroad Administration. Abgerufen am 22. Juni 2016.