Digitaler Knoten Stuttgart

Der Digitale Knoten Stuttgart setzt Maßstäbe für die Digitalisierung der Eisenbahn in Deutschland. Erstmals wird ein großer deutscher Eisenbahnknoten mit einem Digitalen Stellwerk, dem europäischen System ETCS Level 2 und weiteren, darauf aufbauenden Techniken ausgerüstet.

Pilotknoten Stuttgart

Der Pilotknoten der Digitalen Schiene Deutschland entsteht in Stuttgart, da im Rahmen von Stuttgart 21 ohnehin neue Leit- und Sicherungstechnik in großem Umfang aufzubauen ist. Zündfunke der Überlegungen war um 2015 dabei die zunehmende Belastung der ohnehin stark belasteten S-Bahn-Stammstrecke. Anstatt, wie zunächst im Rahmen von Stuttgart 21 geplant, die konventionelle Lichtsignaltechnik aufwendig zu ersetzen, fiel nach einer gründlichen Untersuchung 2019 die grundsätzliche Entscheidung, neue Technik einsetzen zu wollen, um mehr Züge mit weniger Verspätungen zu fahren. Die Stuttgart-21-Projektpartner haben darauf aufbauend am 24. April 2020 gemeinsam entschieden, auch die weiteren Strecken des Fern- und Regionalverkehrs mit neuer Technik auszurüsten. Damit einher geht die Nachrüstung von mehreren hundert Triebfahrzeugen.

Ziele

In einem ersten Schritt werden bis 2025 rund 125 Streckenkilometer mit neuer Leit- und Sicherungstechnik ausgerüstet – doppelt so viel, wie bislang mit Stuttgart 21 vorgesehen. Bis 2030 folgt die übrige Region, mindestens bis zu den heutigen S-Bahn-Endpunkten. Schritt für Schritt wird neue Technik eingebaut und sukzessive weiter optimiert, um mehr Züge mit weniger Verspätungen zu fahren.

Über die bereits mit Stuttgart 21 ermöglichten Leistungssteigerungen hinaus wird damit,

  • maximale Leistungsfähigkeit auf der besonders hochbelasteten S-Bahn-Stammstrecke hergestell.
  • im neuen Hauptbahnhof ermöglicht, im Hochleistungsbetrieb alle fünf Minuten einen Zug zu fahren – auf jedem der acht Bahnsteiggleise.
  • auf jedem der acht anschließenden Gleise im Mittel eine mittlere Zugfolge von zwei Minuten ermöglicht.

Die Erfahrungen aus Stuttgart fließen in die geplante Digitalisierung des übrigen Netzes ein.

Digitale Stellwerke

Grundlage der Digitalisierung sind Digitale Stellwerke (DSTW). Über verschlüsselte Datenverbindungen steht ein hochsicheres Computersystem mit Außenelementen wie Sensoren oder Weichen in Verbindung. Wie jedes moderne Stellwerk wacht ein DSTW insbesondere darüber, dass Züge nur in freie Gleisabschnitte einfahren und Weichen in der richtigen Lage verschlossen sind. Im Gegensatz zu den bislang üblichen Elektronischen Stellwerken (ESTW) sind beim DSTW Energiezuführung und Daten getrennt. Über Glasfasern können nahezu beliebige Abstände zwischen dem Stellwerkskern und den Außenelementen realisiert werden. In Stuttgart entsteht zunächst ein DSTW, das die rund 125 Streckenkilometer steuert. Drei bislang im Rahmen von Stuttgart 21 geplante Elektronische Stellwerke sowie weitere Altstellwerke gehen darin auf. Elektronische oder Digitale Stellwerke sind die Grundlage für ETCS Level 2.

European Train Control System

Das European Train Control System (ETCS) ist eine Erfolgsgeschichte. In den 1990er Jahren konzipiert als einheitliches „Signalsystem“ für den grenzüberschreitenden europäischen Verkehr, findet es inzwischen weltweit Verbreitung.

Im Digitalen Knoten Stuttgart setzen wir zunächst auf die Ausprägungsstufe Level 2. Zug und Strecke tauschen dabei laufend Daten über eine verschlüsselte Funkverbindung aus. An gelben Eurobalisen – einer Art elektronischer Kilometerstein im Gleis – bestimmen die Züge in regelmäßigen Abständen ihren genauen Standort. Mit Weg- und Geschwindigkeitssensoren, darunter Radumdrehungszähler und Radare, misst das Fahrzeug laufend den zurückgelegten Weg und seine Geschwindigkeit. Zusammen mit den von der Strecke übermittelten Daten, darunter der vor dem Zug freigehaltene Weg, errechnet der ETCS-Bordcomputer laufend unter anderem den freien Fahrweg vor dem Fahrzeug und die zulässige Geschwindigkeit.

Im Gegensatz zur althergebrachten konventionellen Signaltechnik, bei der Lichtpunkte an Signalen in einer Art Ampelsystem vergleichsweise einfache Informationen über höchstens zwei vor dem Zug liegende Abschnitte übermitteln, erhält der Triebfahrzeugführer mit ETCS Level 2 ein ungleich präziseres und laufend aktualisiertes Bild. Während mit konventioneller Leit- und Sicherungstechnik ein derartiger Abschnitt typischerweise mindestens einen Kilometer lang ist, kann er mit ETCS nahezu beliebig verkürzt werden. Auf der S-Bahn-Stammstrecke werden an Bahnsteigen bis zu 30 Meter kurze Abschnitte gebildet. Die 24 Züge, die pro Stunde und Richtung auf der Strecke fahren, können damit jeweils fast eine halbe Minute dichter aufeinander folgen.

Automatisierter Fahrbetrieb mit Triebfahrzeugführer (ATO GoA 2)

Automatisierter Fahrbetrieb (Automatic Train Operation, ATO) kommt im Digitalen Knoten Stuttgart im Automatisierungsgrad 2 (Grade of Automation 2, GoA 2) zum Einsatz.

Das System funktioniert wie eine Art ferngesteuerter Tempomat: Die Strecke teilt dem Zug mit, wann er an welchem Ort sein soll. Das Fahrzeuggerät regelt das Tempo entsprechend. Bei Verspätung wird die höchstzulässige Geschwindigkeit gefahren, bei planmäßigem Betrieb möglichst energiesparend. An Bahnsteigen ermöglicht ATO einen hochpräzisen Halt. Der Triebfahrzeugführer ist an Bord, überwacht die Fahrt und kann jederzeit eingreifen.
Aufbauend auf ETCS ermöglicht ATO hochpräzises Fahren. Damit werden Verspätungen vermieden und der Abstand zwischen zwei Zügen verkürzt. ATO wird nach ETCS in Betrieb genommen.

Verkehrsleitsystem (TMS)

Ein hochentwickeltes Verkehrsleitsystem (Traffic Management System, TMS) optimiert den Bahnbetrieb anhand der umfassenden Daten, die aus DSTW, ETCS und ATO zur Verfügung gestellt werden. Fahren beispielsweise zwei Züge gleichzeitig auf einen eingleisigen Abschnitt zu, greift das TMS ein, indem es einen der beiden Züge frühzeitig zurückhält oder verlangsamt. Damit werden zunächst unnötige Halte und damit Verspätungen vermieden.

Im Digitalen Knoten Stuttgart werden momentan die Voraussetzungen für ein solches System geschaffen, indem beispielsweise die zukünftigen Datenverbindungen von DSTW, ETCS und ATO mit dem TMS mit vorbereitet werden. Die Inbetriebnahme des TMS wird stufenweise nach 2025 erfolgen. In weiteren Ausbaustufen wird das System nicht nur Qualitäts-, sondern auch Kapazitätssteigerungen ermöglichen.

Funk

Sowohl für ETCS als auch ATO stehen Zug und Strecken über verschlüsselte Funkverbindungen in laufendem Austausch. Die ständig übermittelten Daten ermöglichen eine ungleich präzisere Steuerung des Bahnbetriebs.

Für ETCS Level 2 wird zunächst das bereits bestehende bahneigene Mobilfunksystem (GSM-R) verwendet. In Bereichen „ohne Signale“ wird das System dabei – erstmals in Deutschland –vollständig redundant ausgeführt: Sowohl der Ausfall einer Funkstation (BTS) als auch der Ausfall einer übergeordneten Vermittlungsstelle (BSC) bleiben ohne Auswirkungen auf den Betrieb.

Für ATO wird zunächst öffentlicher Mobilfunk (4G/5G) genutzt. Bis 2030 sollen sowohl ETCS als auch ATO über den neuen, auf 5G basierenden Bahnbetriebsfunk FRMCS laufen.

Vorlage zur Beschlussfassung in der Sitzung des Lenkungskreises am 24. April 2020