ETCS Onboard Unit für Eisenbahnbetriebslabor
Das Eisenbahnbetriebslabor in Dübendorf bildet den Bahnbetrieb der Schweiz im Massstab 1:87 ab. Damit dort ein Zugsicherungssystem nach europäischem Standard erlebbar wird, muss ein Modellzug bremsen, beschleunigen und überwacht werden wie ein echter Zug. Genau das leistet das in dieser Arbeit erweiterte System (OnBoardUnit).
Die Modellanlage des Eisenbahnbetriebslabors (EBL) in Dübendorf, für welche das Zugsicherungssystem entwickelt und getestet wird.
Ausgangslage
Das EBL bildet den Schweizer Bahnbetrieb auf Modellanlagen möglichst realitätsnah ab und nutzt diese für Ausbildung und Forschung. Im Auftrag des EBL setzt die FHNW auf einer dieser Strecken schrittweise ein vereinfachtes ETCS Level 2 um: Statt Signalen an der Strecke erhält der Zug seine Fahrterlaubnis per Funk direkt in den Führerstand.
Aus mehreren Vorgängerarbeiten bestand bereits ein System, das Fahrterlaubnisse (Movement Authorities) beim Radio Block Centre beantragen und automatisch abfahren konnte. Die Modellzüge beschleunigten und bremsten dabei allerdings wie Modellfahrzeuge: abrupt und ohne Kontrolle über die Verzögerung. Eine Überwachung des von Hand gesteuerten Zuges fehlte ebenso wie eine entsprechende Anzeige, die dem Triebfahrzeugführer sagt, wie schnell und wie weit er fahren darf. Für einen Betrieb nach ETCS ist beides zwingend.
Zielsetzung
Die OnBoardUnit (OBU) sollte so erweitert werden, dass der Modellzug realitätsnahe Fahrcharakteristiken zeigt und dabei durchgehend gesichert ist. Konkret waren vier Bausteine gefordert: eine Zugsteuerung, welche die Fahrdynamik echter Züge emuliert, eine ETCS-nahe Zugüberwachung mit laufender Bremskurvenberechnung und selbständigem Eingriff, ein virtueller Triebfahrzeugführer, sowie ein Driver Machine Interface (DMI) mit Geschwindigkeits- und Distanzanzeige nach ETCS-Standard.
Telemetrie einer gesicherten Zugfahrt
Die Grafik zeigt eine Visualisierung der Daten einer gesicherten Zugfahrt. Die Überwachung berechnet laufend Bremskurven, Richtgeschwindigkeit und die Eingriffsschwellen für eine automatische Bremsung. Die blaue Linie zeigt, was der Zug tatsächlich gefahren ist.
Fahrt im Führerstand
Eine Zugfahrt aus Sicht des Driver Machine Interface. Der Tachobogen zeigt die erlaubte Geschwindigkeit, die Nadel wechselt nach dem ETCS-Farbspektrum die Farbe, und die Target Distance Bar links zeigt die verbleibende Distanz bis zum Ende der Fahrterlaubnis. Am Ende dieser Erlaubnis muss der Zug entsprechend anhalten.
Streckendaten Benutzeroberfläche
Über eine Weboberfläche lassen sich Balisen, Streckenabschnitte, Geschwindigkeits- und Neigungsprofile sowie die Bremsmodelle der Zugtypen pflegen. Der aktuell fahrende Zug wird auch dargestellt.
Ergebnisse
Die OnBoardUnit wurde um vier Komponenten erweitert, die zusammen einen ETCS-nahen Betrieb ermöglichen. Im Einzelnen entstanden dabei:
- Eine Fly-by-Wire ähnliche Zugsteuerung: Die OBU berechnet mehrmals pro Sekunde aus Gas- und Bremsstellung sowie konfigurierbaren Leistungsparametern eine Sollgeschwindigkeit, statt die Eingabe direkt an den Zug weiterzugeben.
- Ein Kalibrierungsverfahren, das die berechnete Geschwindigkeit in m/s über gemessene Stützpunkte in den Wertebereich der Modellbahnsteuerung übersetzt.
- Eine ETCS-nahe Zugüberwachung, die aus Bremsmodell-, Gradienten-, Traktions- und Geschwindigkeitskonfigurationen laufend Bremskurven, die Richtgeschwindigkeit und die Eingriffsschwellen für Warnungen und Zwangsbremsung berechnet.
- Das System interveniert bei überhöhter Geschwindigkeit. Wer zu schnell fährt, wird gewarnt, wird weiter beschleunigt, entzieht das System dem Triebfahrzeugführer die Kontrolle und erzwingt die Bremsung.
- Eine Erkennung des Übertretens der Fahrterlaubnis, die eine Zwangsbremsung bis zum Stillstand auslöst.
- Eine virtueller Triebfahrzeugführer (VT), der den Zug nach der Richtgeschwindigkeit automatisch steuert und vor dem Ende der Fahrterlaubnis anhält.
- Ein Driver Machine Interface mit Tachoanzeige nach dem CeilingSpeed-Farbspektrum und Target Distance Bar.
- Werkzeuge zur Analyse: Python-Tools erzeugen aus den Logfiles der OBU Diagramme, mit denen sich Kalibrierung, Fahrdynamik und Bremskurven überprüfen/visualisieren lassen.
Neben den Funktionen wurde auch die Architektur überarbeitet, sodass Bremsmodelle und länderspezifische Werte zentral konfigurierbar sind und das System für weitere Studierendenprojekte gut erweiterbar bleibt.
Technische Schlüsselbegriffe
- ETCS Level 2Europäischer Standard für Zugsicherung mit Führerstandssignalisierung, vereinfacht auf einer Modellanlage umgesetzt
- ZugsicherungLaufende Überwachung von Geschwindigkeit und Fahrterlaubnis mit selbständigem Bremseingriff
- BremskurvenBerechnung von EBD, SBD und MRSP aus Bremsmodell, Streckenneigung und Geschwindigkeitsprofil
- C# (.NET 8)Backend der OnBoardUnit, des Radio Block Centre und der Streckendaten-API
- Rx.NETReaktive Architektur mit unveränderlichem State, Reducern und Effects
- React / TypeScriptWeboberflächen inklusive des als SVG umgesetzten Driver Machine Interface
- MongoDBPersistenz von Strecken-, Zug- und Konfigurationsdaten
- DockerBetrieb der Systemkomponenten als eigenständige Dienste
Kund:in
Eisenbahnbetriebslabor Schweiz AG
Überlandstrasse 271
8600 Dübendorf
EBL Schweiz
Team
Samuel Lenzin
Nick Rindlisbacher
Betreuer
Wolfgang Weck