Automatic Train Operation

Automatic Train Operation (ATO) ist der automatisierte Fahrbetrieb, bei dem die Zugsteuerung ganz oder teilweise vom Fahrtrechner übernommen wird. Die verschiedenen Grade der Automatisierung reichen von der Bremssteuerung und Fahrsteuerung zur Geschwindigkeitskontrolle, über die Fahrsteuerung und Türsteuerung an Verkehrshalten bis zur möglichen Fernsteuerung für den fahrerlosen Betrieb.

Driver Machine Interface eines unter ETCS mit ATO nahe an der Bremskurve automatisch fahrenden Thameslink-Triebzugs (Präsentation auf der Innotrans 2016)

Im technischen Sprachgebrauch bezeichnet ein ATO-System meist die fahrzeugseitige Ausrüstung, die aus den Fahrbegriffen eines streckenseitigen Zugbeeinflussungssystems die Steuerbefehle ableitet.

Bei ATO over ETCS erfolgt die Spezifikation für ERTMS in den Teilen zur fahrzeugseitigen ATO-OB (On-Board-Unit) und streckenseitigen ATO-TS (trackside system), mit der Betriebsart Automatic Driving.

Stufen

Der Internationale Verband für öffentliches Verkehrswesen (UITP) hat den Automatisierungsgrad (Grade of Automation – GoA) im ÖPNV in vier Stufen zusammengefasst.[1] Dies resultiert aus dem Projekt MODURBAN (EU 2005–2009).[2][3] Diese wurden 2010 in der Norm IEC 62267 festgehalten, und dort neben den numerischen Stufen als NTO, STO, DTO und UTO benannt.

KürzelBeschreibungEntsprechung in SAE[4][5]
GoA0OS (on-sight train operation) ist das herkömmliche Fahren auf Sicht, entsprechend dem Straßenbahnbetrieb. Sie bezeichnet das manuelle Fahren ohne Zugbeeinflussung und muss als Rückfallebene der anderen Automatisierungsgrade definiert werden.0
GoA1NTO (non-automated train operation) ist die manuelle Fahrt mit Zugbeeinflussung. Der Fahrer regelt die Fahrt und ist zuständig für Start, Stopp und Türsteuerungen. Der Zugbetrieb ist nicht automatisiert, aber einige Parameter der Fahrt können über eine Zugbeeinflussung geregelt werden (siehe Bremssteuerung im folgenden Abschnitt). Bei Stufe 1a ist die Zugbeeinflussung punktförmig (an Signalen, PZB), bei Stufe 1b kontinuierlich (mit LZB).1
GoA2STO (semi-automatic train operation) ist halbautomatischer Zugbetrieb mit Fahrer. Die Fahrt vom Start bis Stopp wird vollautomatisch durchgeführt, jedoch löst der Fahrer die Abfahrt aus und ist für die Türsteuerung zuständig. Im Bedarfsfall kann er die Fahrsteuerung sofort übernehmen. Viele Konversionen älterer Strecken sind so ausgeführt.2
GoA3DTO (driverless train operation) ist der begleitete fahrerlose Zugbetrieb. Statt einer ständigen Kontrolle durch einen Fahrer gibt es nur noch einen Zugbegleiter. Dieser ist für die Türsteuerung zuständig und kann über einen Hilfsführerstand den Zug bewegen.3 und 4
GoA4UTO (unattended train operation) ist der vollautomatische fahrerlose Zugbetrieb. Hier befindet sich kein Personal mehr im Zug und alle Operationen sind automatisiert. Die Leitstelle kann in den Zugbetrieb eingreifen.5

Im Sprachgebrauch meint ein automatischer Fahrbetrieb eine verwendete Halbautomatik. Die technische Vollautomatik findet sich bei fahrerlosem Betrieb.

Hinweis: der Automatisierungsgrad von Kraftfahrzeugen wird über den Standard SAE J3016 in fünf Stufen eingeteilt.

Teilautomatischer Zugbetrieb

Automatische Bremssteuerung

Die Stufe 1 der Automatisierung setzt auf einer vorhandene Zugbeeinflussung auf, die Bremskurven definiert hat. Eine Geschwindigkeitsanpassung wird dabei vom Fahrer auf eine automatische Fahrsteuerung (Supervision and Control Train Operation – SCO) übertragen. Dies bewirkt einen teilweisen Fahreingriff, der anders als bei der Zwangsbremsung keiner Löschung durch den Fahrzeugführer bedarf. Ein Beispiel ist die Long Island Rail Road Automatic Speed Control (ASC) – diese automatische Geschwindigkeitsbeeinflussung wurde zur Taktverdichtung entwickelt, um sicherzustellen, dass die Züge die maximale Geschwindigkeitsfreigabe ausnutzen können. Es ist dadurch kompatibel mit der herkömmlichen Zugbeeinflussung auf Basis der Führerstandsignalisierung entsprechend Pulse Code Cab Signaling.

Im Deutschland bewirkt eine Kombination aus fahrzeugseitiger Automatischer Fahr- und Bremssteuerung (AFB) in Verbindung mit der streckenseitigen linienförmigen Zugbeeinflussung (LZB) das gleiche Ergebnis – die Geschwindigkeitsregelung kann das streckenseitig vorgegebene Maximum nicht überschreiten, der Fahrtrechner beschleunigt und bremst jedoch automatisch im Bereich unterhalb des per AFB-Regler vorgegebenen Geschwindigkeitsolls. Ein vorgesehener Halt in einem Bahnhof wird durch dieses System nicht erkannt.

Halbautomatischer Zugbetrieb

In der Stufe 2 der Automatisierung sind zusätzliche Informationen über Haltepunkte definiert. Der halbautomatische Zugbetrieb mit Fahrer ist häufig durch den Umbau existierender U-Bahnen entstanden. Alle Parameter des Streckenabschnitts zur nächsten Station werden automatisiert eingestellt und überwacht. Der Fahrer überwacht den Halt im Bahnhof und löst die Abfahrt mittels Startknopf aus.

Den ersten automatischen Zugbetrieb gab es auf der ehemaligen Metrolinie 2 (heute Teil der Metrolinie 5) in Barcelona von 1962[6] bis 1970[7]. Dabei wurden fotoelektrische Zellen eingesetzt, die das Beschleunigen und Abbremsen regelten, sowie Stahlplatten für die Abstandkontrolle. Das System wurde 1971 durch eine modernere Variante ersetzt.

Die Victoria Line in London wurde schon bei Errichtung für den automatischen Zugbetrieb vorgesehen und fährt seit 1968 – allerdings ist bei diesem Neubau noch ein Zugführer vorgesehen gewesen.[8] Dieser überwacht jedoch nur noch die Einfahrt in den Bahnhof und die Abfertigung zur Ausfahrt, nach drücken von „Start“ wird die Fahrt bis zum nächsten Halt automatisch gesteuert. 2013 wurde das System ersetzt.

Die Linien U1–U4 der U-Bahn Wien fahren ebenfalls automatisch, der Fahrer muss lediglich einen Abfahrtsknopf betätigen. Die Steuerung erfolgt mittels Linienzugbeeinflussung. An einigen Endstationen werden die Züge zudem fahrerlos über die Kehranlage gewendet.

Die U-Bahn München wird tagsüber halbautomatisch betrieben. Der Fahrer muss hier zwei Startknöpfe synchron und parallel betätigen. Die Lichtsignale sind während des automatischen Betriebs dunkelgeschaltet.

Im Rahmen des Digitalen Knotens Stuttgart soll der Regional- und S-Bahn-Verkehr in der Region Stuttgart ab 2026 sukzessive mit ATO GoA 2 ausgerüstet werden.[9][10] Damit sollen Traktionsenergie eingespart, die Betriebsqualität verbessert und die Fahrwegkapazität (durch vorausschauendes Fahren) verbessert werden.[11] ATO zählt dabei zu einer Reihe von Techniken und Funktionen, die in der Serienausrüstung gegenüber einer möglichst einfachen ETCS-Ausrüstung zu Mehrkosten von etwa zehn Prozent führen, wobei ein Großteil jener zehn Prozent auf ATO entfällt.[12]

Eine 2023 vorgelegte Studie für die Digitale Schiene Deutschland erwartet durch ATO GoA 2 eine verbesserte Betriebsqualität, jedoch keine Kapazitätssteigerungen. In Verbindung mit einem Verkehrsleitsystem sollen größere Qualitätsverbesserungen sowie Kapazitätssteigerungen von wenigen Prozent (in Form zusätzlicher vermarktbarer Fahrplantrassen). Noch weiter ausgeprägt sind die Effekte, wenn mit ATO näher an die Schnellbremseinsatzkurve herangefahren wird.[13]

Vollautomatischer Zugbetrieb
Notführerstand in einem Zug der Metrolinie 9 (Barcelona)

In den Stufen 3 und 4 wird der fahrerlose Zugbetrieb realisiert, in der auch die Türsteuerung automatisiert ist. Unterschieden wird hier, ob der Auftrag zur Weiterfahrt von einer begleitenden Aufsicht gegeben wird, oder ob dieser Schritt ebenfalls automatisiert ist. Der vollautomatische Zugbetrieb setzt regelmäßig eine Überwachung durch eine Betriebszentrale (OCC – operation control center) voraus; eine autonome Fahrt durch den Fahrtrechner ist im Bahnverkehr nicht vorgesehen.

Fahrerlose Systeme werden häufig für Pendelzüge an Flughäfen eingesetzt („people mover“). Mittlerweile sind diese Systeme auch bei einigen Stadtbahnen im Einsatz, allerdings ist dann oft noch ein Zugbegleiter dabei. Auch Züge im fahrerlosen Zugbetrieb besitzen meist noch einen Notführerstand, der zum manuellen Rangieren eingesetzt werden kann, während im Linienbetrieb die Steuerung durch einen Fahrtrechner im Verbund mit einer zentralen Zugkontrolle ausgeübt wird.

Im Gegensatz zur halbautomatischen Victoria Line sind neuere Linien in London wie die Docklands Light Railway[14] fahrerlos konzipiert. Der Zugbegleiter bei der DLR Line (zuerst „Train Captain“, dann „Passenger Service Agent“ genannt) bleibt dabei für die Türschließung zuständig. Auch die Central Line und Jubilee Line arbeiten vollautomatisch.

In Deutschland ist die fahrerlose U-Bahn in Nürnberg (Projekt RUBIN Realisierung einer automatisierten U-Bahn in Nürnberg) seit 2008 (U3) und 2010 (U2) im vollautomatischen Zugbetrieb. Vorher fand nach Erprobungen seit den 1960er Jahren bei der Hamburger Hochbahn auf der Hamburger Linie U1 von 1982 bis 1985 automatisierter Betrieb statt. Auch auf der Berliner Linie U4 wurde von 1985 bis 1993 der automatisierte Betrieb mit Zugführer nach dem System SelTrac durchgeführt. Ebenfalls bei der U-Bahn Frankfurt wurden in den 1990er Jahren in nächtlichen Betriebspausen mit zwei umgerüsteten U3-Triebwagen auf der B-Strecke Testfahrten erfolgreich durchgeführt. Die U-Bahn München ist heute durchgängig für den automatisierten Betrieb ausgerüstet (Automatikbetrieb mit Fahrer). Planungen für einen Umbau zum fahrerlosen Betrieb der Berliner U5 wurden wieder eingestellt.

Die Metro Kopenhagen wird seit 2002 mit vollautomatischen Zügen betrieben. Hierbei handelt es sich um zwei Netze mit je zwei sich überlagernden Linien. Das System ermöglicht einen Betrieb im 1,5-Minuten-Takt. In der Schweiz ist die fahrerlose Linie M2 der Métro Lausanne seit 2008 in Betrieb. Die Züge der Métrolinie 14 in Paris fahren ebenfalls automatisch und ohne Fahrer seit 1998. Zwischenzeitlich wurden zwei Bestandslinien (Linie 1 und Linie 4) auf ein automatisches Moving blocks-basiertes Zugsicherungssystem umgerüstet. Auch in Lyon gibt es mit den Linien B und D automatisch fahrende Metro-Linien.

Weltweit wurden 2023 rund 1.700 km U-Bahnen mit im Automatisierungsgrad 4 betrieben, die Hälfte davon in der Asien-Pazifik-Region. Bis 2030 sollen weitere rund 1.230 km in Betrieb gehen.[15] 2016 gab es in Europa etwa 15 vollautomatische Metrosysteme (ohne Flughafenbahnen). Rund eine Milliarde Fahrgäste haben fahrerlose Bahnen im Jahr 2015 genutzt. Viele weitere Systeme sind im Bau oder in der Planung, darunter zum Beispiel Hamburg, Istanbul und Wien.[16]

Im September 2016 vereinbarten die Deutsche Bahn und die SNCF eine weitgehende Kooperation, deren Kern eine gemeinsame Digitalisierungsstrategie ist. Beide Bahnen wollen insbesondere fahrerlose Züge entwickeln. Die Deutsche Bahn will laut eigenen Angaben von 2016 „spätestens 2023 (...) so weit sein, dass wir in Teilen unseres Netzes vollautomatisch fahren können“. Ein erster Einsatz sei am ehesten in Streckenabschnitten ohne Mischverkehr, beispielsweise S-Bahnen, denkbar.[17] Im Oktober 2021 startete das Pilotprojekt des „ersten automatisierten, selbstfahrenden“ konventionellen Zugs in Hamburg – die „Digital S-Bahn Hamburg“.[18][19]

2017 gab die Schweizerische Südostbahn bekannt, den Abschnitt Wattwil–Nesslau Neu St. Johann mit einem automatischen S-Bahn-Zug ohne Lokomotivführer betreiben zu wollen. Das Vorhaben wurde vom Bundesamt für Verkehr (BAV) zurückgebunden.[20] Im Dezember des gleichen Jahres führt die SBB an einer Pressekonferenz einen Doppelstockzug von Stadler Rail im halbautomatischer Zugbetrieb mit Fahrer vor.[21] Dennoch wird das Projekt der Schweizerischen Südostbahn weiterverfolgt. Es wird nach einer Branchenlösung gesucht. Im Rennen mit Stadler Rail ist Rail Systems Engineering aus Wallisellen und Bombardier Transportation (Schweiz) vertreten. Die ersten Testfahrten wurde für den Zeitraum zwischen Dezember 2019 und Dezember 2020 angekündigt.[22]

In Australien wurde Anfang 2017 halbautomatischer Zugbetrieb mit Fahrer auf den Erzbahnen der Rio Tinto Groupe aufgenommen. Die Gesellschaft betreibt ein Streckennetz von 1700 km Länge mit 200 Lokomotiven. Ende 2017 wurde etwa die Hälfte der Kilometerleistung im halbautomatischen Betrieb erbracht. Im Dezember 2017 verkehrte der erste schwere Güterzug im vollautomatischen, fahrerlosen Zugbetrieb über eine knapp 100 km lange Strecke.[23]

Rekorde

Der größte lokführerlose Eisenbahnbetrieb ist die Eisenerzbahn von Rio Tinto in Westaustralien. Seit Juni 2019 verkehren auf dem 1500 km langen Streckennetz bis zu 50 Züge gleichzeitig im GoA-4-Betrieb.[24] Siehe Abschnitt Automatic Train Operation AutoHaul im Artikel Eisenbahn in Western Australia.

Bis im Juni 2014 galten die folgenden Rekorde:

  • Das längste Streckennetz mit fahrerlosem Zugbetrieb ist mit 68,7 km Länge bei den drei Linien des Vancouver SkyTrain in Betrieb
  • Die längste Einzelstrecke mit fahrerlosem Betrieb ist die Linie 2 der Métro Lille mit 31,7 km Länge
  • Die längste U-Bahn-Strecke im fahrerlosen Betrieb ist die vollständig im Tunnel verlaufende Nord-Ost-Linie in Singapur mit einer Länge von 20 km

Die Dubai Metro (mit 70 km Streckennetz und 50 km auf einer Linie) sowie die U-Bahn-Circle Line in Singapur (mit 33,3 km Streckenlänge) werden zukünftig diese Rekorde noch überbieten.[25][26]

Rund ein Drittel der knapp über 3000 U-Bahn-Fahrzeuge, die 2019 bestellt wurden, sollen fahrerlos betrieben werden.[27]

Siehe auch

Einzelnachweise
  1. A global bid for automation: UITP Observatory of Automated Metros confirms sustained growth rates for the coming years. (PDF) International Association of Public Transport, archiviert vom Original am 1. Mai 2016; abgerufen am 24. April 2023 (englisch).
  2. http://www.uitp.org/content/modurban
  3. Hans-Christian Kaiser: U-Bahn Berlin – Entwicklung der Steuerungs- und Sicherungssysteme. TU Dresden, 26. Juni 2014, ehemals im Original (nicht mehr online verfügbar); abgerufen am 26. April 2015.@1@2Vorlage:Toter Link/tu-dresden.de (Seite nicht mehr abrufbar. Suche in Webarchiven)
  4. Cross-Domain Fertilisation in the Evolution towards Autonomous Vehicles. In: ERCIM News. Abgerufen am 8. Mai 2022.
  5. Nils Nießen, Christian Schindler, Dirk Vallée: Assistierter, automatischer oder autonomer Betrieb – Potentiale für den Schienenverkehr. In: Verkehr & Betrieb. 2017 (rwth-aachen.de [PDF]).
  6. José Mora: L5 Cornellà Centre – Vall d’Hebrón. Archiviert vom Original am 7. Dezember 2010; abgerufen am 12. Dezember 2011.
  7. Quelle fehlt
  8. Tom Parkinson, Ian Fisher: Driverless metros poised to expand. In: Railway Gazette International. 1. März 2000, archiviert vom Original am 17. September 2011; abgerufen am 24. April 2023 (englisch).
  9. Marc Behrens, Enrico Eckhardt, Michael Kümmling, Markus Loef, Peter Otrzonsek, Martin Schleede, Max-Leonhard von Schaper, Sven Wanstrath: Auf dem Weg zum Digitalen Knoten Stuttgart: ein Überblick. In: Der Eisenbahningenieur. Band 71, Nr. 4, April 2020, ISSN 0013-2810, S. 14–18 (PDF).
  10. Jens Bergmann: Digitaler Knoten Stuttgart. (PDF) Erklärung der DB Netz AG zu Inhalt und Zielen. DB Netz, 21. April 2020, S. 1 f., abgerufen am 24. April 2020.
  11. Frank Dietrich, Jan Erdmann, Matthias Jost, Fabian Raichle, Nilesh Sane, Thomas Vogel, Philipp Wagner: Nachrüstung von 333 Triebzügen für den Digitalen Knoten Stuttgart. In: ZEVrail, Glasers Annalen. Band 146, Nr. 5, Mai 2022, ISSN 1618-8330, ZDB-ID 2072587-5, S. 170–181.
  12. Frank Dietrich, Lynn Molterer, Frank Philippsen, Peter Reinhart, Christian Schunke-Mau, Thomas Vogel, Hubertus Wester-Ebbinghaus: Digitaler Knoten Stuttgart: Förderung der DSD-Fahrzeugausrüstung. In: Der Eisenbahningenieur. Band 74, Nr. 4, April 2023, ISSN 0013-2810, S. 54–58 (online).
  13. Thorsten Büker, Simon Heller, Eike Hennig, Peter Reinhart, Frédéric Weymann: Zum verkehrlichen Nutzen der Digitalen Schiene Deutschland. In: Der Eisenbahningenieur. Band 75, Nr. 2, Februar 2024, ISSN 0013-2810, S. 47–52 (PDF).
  14. Peter Courtenay: Docklands Light Railway: Trains. Abgerufen am 12. Dezember 2011.
  15. François Guénard, Vladimir Cabanis, Simon Riou: Driverless metro market set to surge. In: Railway Gazette International. Band 180, Nr. 2, Februar 2024, ISSN 0373-5346, S. 18–21.
  16. Selbstfahrende Metros befördern in Europa eine Milliarde Fahrgäste. Allianz pro Schiene, 30. November 2016, abgerufen am 16. Dezember 2016.
  17. Nikolaus Doll, Gesche Wüpper: Deutsche und Franzosen bauen den Geisterzug. In: Die Welt. 22. September 2016, ISSN 0173-8437, S. 12.
  18. Germany unveils first self-driving train In: techxplore.com. Abgerufen am 15. November 2021 (englisch).
  19. Jon Shelton: Germany: Hamburg gets first fully automated tram. In: DW.com (Deutsche Welle). 11. Oktober 2021, abgerufen am 15. November 2021 (englisch).
  20. Bund bremst SOB bei automatischen Zügen aus. In: St. Galler Tagblatt. 16. Juni 2017, S. 20.
  21. Stefan Ehrbar: Jetzt rollt der erste selbstfahrende SBB-Zug. In: 20 Minuten. 12. Mai 2017 (20min.ch [abgerufen am 24. Dezember 2017]).
  22. Marcel Gamma: Test: Bald fahren automatische Züge über Schweizer Geleise. In: inside-it.ch. 18. Dezember 2018, abgerufen am 24. April 2023.
  23. Rio Tinto completes first fully autonomous rail journey in Western Australia. 2. Oktober 2017, abgerufen am 1. März 2021 (britisches Englisch).
  24. Kevin Smith: Rise of the machines. Rio Tinto breaks new ground with AutoHaul. In: International Railway Journal (IRJ). August 2019, S. 14–18.
  25. Railway Technology – ALSTOM chosen for the world’s longest fully automated metro line in Singapore (Memento vom 1. Oktober 2007 im Internet Archive)
  26. DUBAI METRO – THE LONGEST DRIVERLESS METRO IN THE WORLD (Memento vom 4. Mai 2007 im Internet Archive), DubaiCityGuide.com
  27. One-third of car orders are driverless. In: Metro Report International. Band 34, Nr. 1, 2020, ISSN 1756-4409, S. 40–43.
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