Neues verkehrswissenschaftliches Journal - Ausgabe 13 E-Book

Ullrich Martin

• Herausgeber: Books on Demand
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 190

Veröffentlichungsjahr: 2015

Beschreibung

Sowohl im Schienengüter- als auch im Personenverkehr ist in der Zukunft mit einem deutlichen Verkehrsanstieg zu rechnen, der nicht allein durch extensiven Infrastrukturausbau kompensiert werden kann. Ein weites Feld zur Erschließung von Innovationspotentialen im Hinblick auf eine Effizienzsteigerung eröffnet sich im Rahmen der technischen Ausstattung der Fahrzeuge, die Im Zuge der Einführung des neuen europäischen Zugbeeinflussungssystems ETCS angepasst werden muss. In diesem Projekt werden die Auswirkungen des Einsatzes einer automatischen Mittelpufferkupplung auf die Leit- und Sicherungstechnik unter Berücksichtigung der betriebs- und volkswirtschaftlichen Nutzen, der Migration sowie der Interoperabilität untersucht. Dabei werden funktionale Anforderungen an eine automatische Mittelpufferkupplung erarbeitet, Nutzwerte aus der Perspektive der Leit- und Sicherungstechnik geprüft und nach Integration eines Mengengerüstes eine Nutzen-Kosten-Abschätzung erstellt sowie grundsätzliche Migrationsszenarien abgeleitet.

Leseprobe

Vorwort

Sowohl im Güter- als auch im Personenverkehr ist in der Zukunft mit einem deutlichen Verkehrsanstieg zu rechnen, der nicht allein durch extensiven Infrastrukturausbau der Eisenbahn kompensiert werden kann. Neben betrieblichen Maßnahmen eröffnet sich im Rahmen der technischen Ausstattung der Fahrzeuge ein weites Feld zur Erschließung von Innovationspotentialen im Hinblick auf eine Effizienzsteigerung.

In einem gemeinsamen Projekt haben die DB Netz AG, Technik- und Anlagenmanagement ETCS, und das Institut für Eisenbahn- und Verkehrswesen der Universität Stuttgart eine umfassende Einführung einer automatischen Mittelpufferkupplung für hohe Anhängelasten mit pneumatischer und elektrischer Leitungsverbindung sowie Erkennung des Kuppelzustandes aus der Perspektive von Eisenbahninfrastrukturunternehmen unter Berücksichtigung der Belange der Eisenbahnverkehrsunternehmen untersucht.

Dabei wurden die Auswirkungen auf die Leit- und Sicherungstechnik unter Beachtung der betriebs- und volkswirtschaftlichen Nutzen, der Migration sowie der Interoperabilität analysiert und funktionale Anforderungen an diese neue, MPK+ genannte, automatische Mittelpufferkupplung erarbeitet, Nutzwerte aus der Perspektive der Leit- und Sicherungstechnik geprüft und nach Integration eines Mengengerüstes eine Nutzen-Kosten-Abschätzung erstellt sowie grundsätzliche Migrationsszenarien abgeleitet.

Die hier vorgestellte Mittelpufferkupplung MPK+ ist eine Lösung, um auch den europäischen Schienengüterverkehr für das kommende Zugsicherungssystem ETCS-Level 3 vorzubereiten. Darüber hinaus eröffnet die MPK+ die Möglichkeit, deutlich schwerere und auch längere Züge zu fahren sowie im Güterverkehr Zugbildungsprozesse deutlich zu beschleunigen, körperlich schwere Arbeiten im Rangierdienst zu reduzieren und ein effizientes Flügelzugkonzept „Train-Coupling and -Sharing“ einzuführen. Eine wesentliche Innovation besteht darin, dass durch das Konzept einer zentralen Datenverbindung im gesamten Zug, die ohne autarke Energieversorgung der Güterwagen auskommt, eine Vielzahl von unterschiedlichen Zusatzfunktionen genutzt werden kann, die im Kontext einer Digitalisierung der Prozessabläufe dem Leitbild „Mobilität 4.0“ eine ganz neue Grundlage bieten. Nicht zuletzt durch diese erweiterten neuen Möglichkeiten wird die kostenintensive Einführung der MPK+ in Verbindung mit einer signifikanten Effizienzsteigerung der Betriebsprozesse auch für Eisenbahnverkehrsunternehmen attraktiv.

Stuttgart, im Juni 2015

Ullrich Martin

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungen

Kurzfassung

Abstract

Einleitung

1.1 Einführung

1.2 Aufbau des Berichtes

Aktueller Stand der Entwicklung

2.1 Mittelpufferkupplungssysteme

2.1.1 Kupplungssysteme bei der Eisenbahn

2.1.2 Begriffe und Abgrenzungen

2.1.3 MPK-Systeme, Anwendungsbeispiele und Migrationserfahrungen

2.1.4 Fazit Kupplungssysteme

2.2 Technologien zur Datenübertragung im Zugverband

2.2.1 Datenübertragungsmedien

2.2.2 Bestehende Systeme und Forschungsansätze

2.2.3 Feldbusse und Netzwerke in weiteren Einsatzfeldern

2.3 Wirtschaftliche Bewertung von Mittelpufferkupplungssystemen

2.3.1 Ausgangssituation und Zielsetzung

2.3.2 Bewertungsverfahren

2.3.3 Bisherige Bewertungen von MPK-Systemen

2.4 Zusammenfassung des Entwicklungsstandes

Anforderungen an eine Mittelpufferkupplung

3.1 Grundlegende Annahmen

3.2 Kupplungsaufbau

3.2.1 Mechanischer Aufbau

3.2.2 Leitungskupplungen

3.2.3 Energieversorgung

3.2.4 Serviceschnittstelle

3.3 Kommunikation im Zugverband

3.3.1 Netzwerkaufbau

3.3.2 Kommunikationstechnologie

3.3.3 Adressierung

3.4 Sicherheit

3.4.1 Funktionale und technische Sicherheit (Safety)

3.4.2 Informationssicherheit (Security)

3.5 Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Instandhaltbarkeit

3.6 Anwendungsfälle

3.6.1 Zugtaufe

3.6.2 Zuginterne Zugintegritätsprüfung (Mindestspezifikation)

3.6.3 Brems- und Lösevorgang der ep-Bremse

3.6.4 Automatische Bremsprobe

3.6.5 Fahrwerküberwachung

Grundlagen für einen Sicherheitsnachweis

4.1 Risikobewertungsverfahren nach CSM-RA

4.2 Ermittlung der sicherheitsrelevanten Funktionen

4.3 Überprüfung auf signifikante Änderung

4.4 Systemdefinition

4.4.1 Vorgehen

4.4.2 Überblick Gesamtsystem

4.4.3 Automatisches Bereitstellen der Fahrzeuglänge

4.4.4 Zuginterne Zugintegritätsüberwachung

4.4.5 Ersetzen der Gleisfreimeldeanlage

4.5 Vereinfachte Risikoanalyse

4.5.1 Vorgehen

4.5.2 Gefährdungsidentifikation

4.5.3 Gefährdungseinstufung

4.5.4 Explizite Risikoabschätzung gemäß SIRF

4.5.5 Vergleich mit Referenzsystem

4.6 Berücksichtigung von Mischbetrieb

4.7 Zwischenfazit Grundlagen für Sicherheitsnachweis

Nutzwertanalyse

5.1 Nutzwerte der MPK

+

5.2 Nutzwertanalyse

5.2.1 Einordnung der Nutzwertanalyse in die Methodenlandschaft

5.2.2 Aufbau der Nutzwertanalyse

5.2.3 Betrachtete Varianten in der Nutzwertanalyse

5.3 Nutzwerte aus verschiedenen Perspektiven

5.3.1 Kriterien aus Perspektive der EIL)

5.3.2 Kriterien aus Perspektive der EVU

5.4 Berechnung und Ergebnis der Nutzwertanalyse

Kosten-Nutzen-Analyse

6.1 Überblick über das Verfahren

6.1.1 Einführung in das Verfahren

6.1.2 Vor- und Nachteile des Verfahrens

6.1.3 Begründung des Verfahrens

6.1.4 Methodik: MiWOhnefall-Prinzip

6.2 Verfahrensablauf der Kosten-Nutzen-Analyse

6.2.1 Ablaufschema

6.2.2 Ermittlung der Teilindikatoren

6.3 Migrationsszenarien

6.4 Integration eines Mengengerüstes

6.4.1 Investitionen Kupplungen

6.4.2 Investitionen Infrastruktur

6.4.3 Erhöhung der Transportleistungsfähigkeit im Güterverkehr

6.4.4 Personalkosten

6.4.5 Unfallschäden

6.4.6 Abgasemissionen und Energieverbrauch

6.5 Ergebnisse der Kosten-Nutzen-Analyse

6.6 Zusatznutzen

6.6.1 Nicht in der Bewertung erfasste Nutzwerte

6.6.2 Entgleisungsdetektion

6.6.3 Intelligente Fahrwerksüberwachung

6.6.4 Schallemissionen

6.6.5 Ladungsverfolgung

6.6.6 Geringerer Verschleiß bei Radsätzen und Schienen

6.6.7 Zusatznutzen Fazit

6.7 Sensitivitätsbetrachtung

6.7.1 Transportleistungserhöhung

6.7.2 Personalkosten

6.7.3 Investitions- und Umrüstungskosten der MPK

+

6.7.4 Infrastrukturkosten

6.7.5 Fazit Sensitivitätsbetrachtung

Zusammenfassung und Fazit

Literaturverzeichnis

Anhang A – Abbildungen

Anhang B – Arbeitsblatt TeSiP (Vorschlag)

Anhang C – Arbeitsblatt Systemgefährdungen (Vorschlag)

Anhang D – Berechnungen

Anhang E – MPK+ Kurzbeschreibung

Anhang F – Formblätter

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Kraftübertragung einer UIC-Schraubenkupplung

Abbildung 2: Janney-Kupplung

Abbildung 3: Scharfenbergkupplung eines VT612

Abbildung 4: Kupplung Typ SA-3

Abbildung 5: Kupplung Typ AK69

Abbildung 6: Kupplung Typ C-AKv

Abbildung 7: Grundlegende Architektur des Train Communication Network

Abbildung 8: Grundlegender Aufbau des ECP-Busses

Abbildung 9: Funkdatenübertragung zwischen Fahrzeugen über Nahfunkstrecken

Abbildung 10: Funkdatenübertragung mit einem hybriden Netzwerk

Abbildung 11: Systemüberblick Mindestspezifikation

Abbildung 12: Anwendungsfall „Automatische Zugtaufe (Mindestspezifikation)“

Abbildung 13: Ablauf des Anwendungsfalls „Zugintegritätsprüfung“

Abbildung 14: Ablauf des Anwendungsfalls „Bremsvorgang der ep-Bremse“

Abbildung 15: Ablaufs des Anwendungsfalls „Lösevorgang der ep-Bremse“

Abbildung 16: Ablauf des Anwendungsfalls „Automatische Bremsprobe Variante 1“

Abbildung 17: Ablauf des Anwendungsfalls „Automatische Bremsprobe Variante 2“

Abbildung 18: Systembestandteile mit Einzelfunktionen und Schnittstellen (Teil 1)

Abbildung 19: Systembestandteile mit Einzelfunktionen und Schnittstellen (Teil 2)

Abbildung 20: Überblick zu den ermittelten Gefährdungen und deren Folgen

Abbildung 21: Risc Score Matrix zur Funktion Ersetzen der Gleisfreimeldeanlage

Abbildung 22: Gefährdungsbaum Automatisches Bereitstellen der Fahrzeuglänge

Abbildung 23: Gefährdungsbaum Zuginterne Zugintegritätsüberwachung

Abbildung 24: Risikobewertungsverfahren nach CSM-RA, vereinfacht

Abbildung 25: Klassifikation von Bewertungsverfahren

Abbildung 26: Ablaufschema der Nutzwertanalyse

Abbildung 27: Funktionsprinzip von ETCS-Level 3

Abbildung 28: Ablaufschema der Kosten-Nutzen-Analyse

Abbildung 29: Ohnefall und Mitfälle

Abbildung 30: Entwicklung relevanter Kupplungssysteme und Sicherungstechnik

Abbildung 31: Legende zu relevanten Kupplungssysteme und Sicherungstechnik

Abbildung 32: Arbeitsblatt TeSiP Teil 1 (Vorschlag)

Abbildung 33: Arbeitsblatt TeSiP Teil 2 (Vorschlag)

Abbildung 34: Arbeitsblatt Systemgefährdungen Teil 1 (Vorschlag)

Abbildung 35: Arbeitsblatt Systemgefährdungen Teil 2 (Vorschlag)

Abbildung 36: Deckblatt der Standardisierten Bewertung

Abbildung 37: Formblatt 1

Abbildung 38: Formblatt 2

Abbildung 39: Formblatt 2.2, Seite 1

Abbildung 40: Formblatt 2.2, Seite 2

Abbildung 41: Formblatt 2.4

Abbildung 42: Formblatt 2.5

Abbildung 43: Formblatt 5.3

Abbildung 44: Formblatt 12m, Seite 1

Abbildung 45: Formblatt 12m, Seite 2

Abbildung 46: Formblatt 12o, Seite 1

Abbildung 47: Formblatt 12o, Seite 2

Abbildung 48: Formblatt 13m, Seite 1

Abbildung 49: Formblatt 13m, Seite 2

Abbildung 50: Formblatt 13o, Seite 1

Abbildung 51: Formblatt 13o, Seite 2

Abbildung 52: Formblatt 15.1

Abbildung 53: Formblatt 15.2

Abbildung 54: Formblatt 16, Seite 1

Abbildung 55: Formblatt 16, Seite 1

Abbildung 56: Formblatt 17

Abbildung 57: Formblatt 18.1

Abbildung 58: Formblatt 21.1

Abbildung 59: Formblatt E1, Seite 1

Abbildung 60: Formblatt E1, Seite 2

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Maximale Kräfte der UIC-Schraubenkupplung mit Seitenpuffern

Tabelle 2: Maximale Kräfte der Janney-Kupplung

Tabelle 3: Maximale Kräfte der Scharfenberg-Kupplung Typ 10

Tabelle 4: Maximale Kräfte der SA-3 Kupplung

Tabelle 5: Maximale Kräfte der AK69e/lntermat

Tabelle 6: Maximale Kräfte der Z-AK

Tabelle 7: Maximale Kräfte der C-AKv

Tabelle 8: Merkmale und Besonderheiten der Übertragungsmedien

Tabelle 9: Überblick über Funktionen und deren Sicherheitsrelevanz

Tabelle 10: Bewertungskriterien der sicherheitsrelevanten Funktionen in Phase 1

Tabelle 11: Signifikanzmatrix für die sicherheitsrelevanten Funktionen in Phase 1

Tabelle 12: Generelle Betriebsszenarien Automatisches Bereitstellen der Fahrzeuglänge

Tabelle 13: Generelle Betriebsszenarien Zuginterne Zugintegritätsüberwachung

Tabelle 14: Ergebnisse des Einstufungsverfahrens nach SIRF

Tabelle 15: Zuordnung von Unfallklassen und Punktebewertung vorhandener Barrieren für die Gefährdungen der Funktion Ersetzen der Gleisfreimeldeanlage

Tabelle 16: Tafel zum Gefährdungsbaum Automatisches Bereitstellen der Fahrzeuglänge

Tabelle 17: Tafel zum Gefährdungsbaum Zuginterne Zugintegritätsüberwachung

Tabelle 18: Vergleich der Systembestandteile neues System – Referenzsystem

Tabelle 19: Variantenübersicht

Tabelle 20: Kriterienübersicht EIU

Tabelle 21: Kriterienübersicht EVU

Tabelle 22: Präferenzmatrix

Tabelle 23: Berechnung der Gewichtung der Zugintegritätsüberwachung

Tabelle 24: Bewertungsskala der Zielerfüllung

Tabelle 25: Bewertung der Zielerfüllung und Rangfolge

Tabelle 26: MiWOhnefall-Prinzip

Tabelle 27: Monetarisierbare Teilindikatoren der Standardisierten Bewertung

Tabelle 28: Monetarisierbare Teilindikatoren der Standardisierten Bewertung der MPK+

Tabelle 29: Mitfälle

Tabelle 30: Stückzahlen umzurüstender Fahrzeuge in Deutschland

Tabelle 31: Stückzahlen umzurüstender Fahrzeuge in den Migrationsszenarien

Tabelle 32: Stückzahlen aus- und umzurüstender Fahrzeuge im Migrationsszenario 1

Tabelle 33: Stückzahlen aus- und umzurüstender Fahrzeuge im Migrationsszenario 2

Tabelle 34: Kosten der MPK+ Preisstand 2013

Tabelle 35: Gleisfreimeldeanlagen

Tabelle 36: Erhöhung der Zuglänge

Tabelle 37: Prognose der Transportleistung 2030

Tabelle 38: Kosten-Nutzen-Indikatoren in den Mitfällen

Tabelle 39: Nutzwertverteilung

Tabelle 40: Kosten-Nutzen-Indikatoren in den Mitfällen (Sensitivitätsbetracht. Leistung)

Tabelle 41: Nutzwertverteilung (Sensitivitätsbetrachtung Leistung)

Tabelle 42: Kosten-Nutzen-Indikatoren in den Mitfällen (Sensitivitätsbetracht. Personal)

Tabelle 43: Nutzwertverteilung (Sensitivitätsbetrachtung Personal)

Tabelle 44: Kosten-Nutzen-Indikatoren in den Mitfällen (Sensitivitätsbetrachtung Kosten)

Tabelle 45: Nutzwertverteilung (Sensitivitätsbetrachtung Kosten)

Tabelle 46: Kosten-Nutzen-Indikatoren in den Mitfällen (Sensitivitätsbetrachtung Kosten)

Tabelle 47: Nutzwertverteilung (Sensitivitätsbetrachtung Kosten)

Tabelle 48: Erhöhung der Systemgeschwindigkeit nach [Sünderhauf2009]

Tabelle 49: Erhöhung der Systemgeschwindigkeit

Tabelle 50: Anstieg der System- und Umlaufgeschwindigkeit

Tabelle 51: Unfallrate Rangieren

Abkürzungen

Allgemeines Eisenbahngesetz

AEG

Coupler Monitor Device / Kupplungssensor

CMD

Verordnung EG Nr. 352/2009 über die Festlegung einer gemeinsamen Sicherheitsmethode für die Evaluierung und Bewertung von Risiken

CSM-RA

Head End Device / Zugspitzengerät

HED

Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung

EBO

Electronically Controlled Pneumatics

ECP

Eisenbahninfrastrukturunternehmen

EIU

End of Train Device / Zugschlussgerät

EOTD

Ethernet Train Backbone

ETB

Eisenbahnverkehrsunternehmen

EVU

European Train Control System

ETCS

Festbremsortungsanlage

FBOA

Induktive Zugsicherung

Indusi

Lichtwellenleiter

LWL

Linienzugbeeinflussung, linienförmige Zugbeeinflussung

LZB

Heißläuferortungsanlage

HOA

Mindestens gleiche Sicherheit

MGS

Mittelpufferkupplung

MPK

Mittelpufferkupplung, die eingeführt werden soll

MPK

+

Multifunction Vehicle Bus

MVB

On-board Unit

OBU

Optical Glass Fibre

OGF

Öffentlicher Personennahverkehr

ÖPNV

Organisation für die Zusammenarbeit der Eisenbahnen in Europa

OSShD

Risikoakzeptanzkriterium für technische Systeme

RAC-TS

Radio Block Centre

RBC

Risc Score Matrix

RSM

Sicherheitsanforderungsstufe / Safety Integrity Level

SAS / SIL

Sicherheitsrichtlinie Fahrzeug

SIRF

Train Backbone Node

TBN

Train Communication Network

TCN

Triebfahrzeugführer

Tf

Trassenkilometer

Trkm

Technische Spezifikationen für die Interoperabilität

TSI

Internationaler Eisenbahnverband

UIC

Vehicle Information Device / Fahrzeugdatengerät

VID

Wire Train Bus

WTB

Zugsammelschiene

ZS

Kurzfassung

Sowohl im Schienengüter- als auch im Personenverkehr ist in der Zukunft mit einem deutlichen Verkehrsanstieg zu rechnen, der nicht allein durch extensiven Infrastrukturausbau kompensiert werden kann. Ein weites Feld zur Erschließung von Innovationspotentialen im Hinblick auf eine Effizienzsteigerung eröffnet sich im Rahmen der technischen Ausstattung der Fahrzeuge, die Im Zuge der Einführung des neuen europäischen Zugbeeinflussungssystems ETCS angepasst werden muss.

In diesem Projekt werden die Auswirkungen des Einsatzes einer automatischen Mittelpufferkupplung auf die Leit- und Sicherungstechnik unter Berücksichtigung der betriebs- und volkswirtschaftlichen Nutzen, der Migration sowie der Interoperabilität untersucht. Dabei werden funktionale Anforderungen an eine automatische Mittelpufferkupplung erarbeitet, Nutzwerte aus der Perspektive der Leit- und Sicherungstechnik geprüft und nach Integration eines Mengengerüstes eine Nutzen-Kosten-Abschätzung erstellt sowie grundsätzliche Migrationsszenarien abgeleitet.

Abstract

In the future there is a significant increase in traffic expected not only in rail freight but also passenger transport, which cannot be solely compensated by extensive development of rail infrastructure. At the same time, in compliance with the newly introduced European ETCS, updates to existing vehicle equipment are opening up significant opportunities for innovative new developments to increase efficiency.

This project investigates the impact of automatic central buffer coupling on the dispatch and safety systems, taking into account the operational and national economic benefits as well as its migration and interoperability. This project also preliminarily defines the functional requirements of the automatic central buffer coupling, verifies its utility value from both operational and safety systems perspective, obtains a costbenefit assessment through the integration of a quantity structure, and defines basic migration scenarios.

1 Einleitung

1.1 Einführung

Im europäischen Schienenverkehr ist in Zukunft mit einem deutlichen Anstieg der Verkehrsleistung zu rechnen, der auf Grund knapper finanzieller Mittel und der in Ballungsräumen nur knapp oder gar nicht zur Verfügung stehenden freien Flächen nicht allein durch extensiven Infrastrukturausbau kompensiert werden kann. Neben betrieblichen Verbesserungen liegt ein großes Innovationspotential zur Effizienzsteigerung in der technischen Ausstattung der Fahrzeuge sowie deren Anpassung an die zukünftige Leit- und Sicherungstechnik.

Die im europäischen Güter- und im Personenverkehr heute immer noch überwiegend eingesetzte Schraubenkupplung ist seit den 1860er Jahren im Einsatz und entspricht schon lange nicht mehr dem Stand der Technik. In den USA ist seit den 1890er Jahren die Janney-Kupplung, eine Mittelpufferkupplung, im Einsatz, deren Vorteil gegenüber der Schraubenkupplung einerseits im automatischen Kuppeln, andererseits im Bewältigen höherer Anhängelasten liegt. Im Lauf der Zeit entwickelten sich weitere Kupplungssysteme, die z. T. neben dem automatischen Kuppeln einer mechanischen Kupplungsverbindung auch die Druckluftleitungen der Bremsen und sogar elektrische Datenleitungen vollautomatisch verbinden und bei wenigen Systemen auch wieder vollautomatisch trennen können.

Eine durchgehende Datenleitung ermöglicht den damit ausgestatteten Zügen z. B. eine Zugintegritätsprüfung, die nicht auf Gleisfreimeldeanlagen oder spezielle Zugschlussgeräte angewiesen ist.

So ausgerüstete Kupplungssysteme sind bisher fast nur bei Triebwagen im Personenverkehr im Einsatz und unterliegen einigen Einschränkungen wie den z. B. den übertragbaren Zug- und Druckkräften, Robustheit gegenüber Verschmutzungen, häufiges Trennen und Verbinden, Kosten, etc. und eignen sich daher nur eingeschränkt für einen Einsatz im Güterverkehr.

Zu den betrieblichen und wirtschaftlichen Vorteilen eines Einsatzes eines (halb-) automatischen Kupplungssystems existieren einige wissenschaftliche Abhandlungen, wie z. B. „Die automatische Mittelpufferkupplung“ des bekannten Ökonomen Edgar Salin aus den 1960er Jahren [Salin1966], eine gleichnamige Studie von Prof. Dr. rer. pol. Bernhard Sünderhauf aus dem Jahr 2009 [Sünderhauf2009] oder die Dissertation „Untersuchung von Einsatzszenarien einer automatischen Mittelpufferkupplung“ von Dr.-Ing. Helge Stuhr aus dem Jahr 2013 [Stuhr2013]. All diesen Werken ist eines jedoch gemeinsam: Sie beschäftigen sich nur am Rande oder gar nicht mit den Auswirkungen und den technischen Möglichkeiten, die solche Kupplungssysteme mit integrierter Datenübertragungsmöglichkeit auf die Leit- und Sicherungstechnik haben könnten bzw. sich mit der Einführung des neuen europäischen Zugbeeinflussungssystems ETCS-Level 3 eröffnen.

So wird in allen Zügen eine fahrzeugseitige Prüfung der Zugvollständigkeit bei vollem Ausbau von ETCS-Level 3 notwendig, wodurch sich Auswirkungen auf die Ausstattung der streckenseitigen Leit-und Sicherungstechnik ergeben werden, z. B. werden Gleisfreimeldeanlagen (teilweise) überflüssig. Im Personenverkehr sind heute schon die meisten Züge- auch solche mit Schraubenkupplungen – mittels der UIC-Leitung dazu theoretisch in der Lage. Im Güterverkehr ist dies mangels elektrischer Verbindung bisher nicht möglich.

Die Einführung einer Mittelpufferkupplung zusammen mit einer Verbindung zur Datenübertragung im Schienengüterverkehr brächte somit mehrere Nutzen: Einerseits Vorteile im Betrieb, wie z. B. schnelleres und sichereres Kuppeln und Entkuppeln, aber auch deutlich höhere Anhängelasten, und – bei Anpassung der Infrastruktur -längere Züge, was bei hoch belasteten Streckenabschnitten Kapazitätsprobleme verringern könnte. Andererseits könnte mit Hilfe einer solchen Kupplung mit elektrischer Datenverbindung auf ein Teil der sich direkt am Gleis befindenden Leit- und Sicherheitstechnik verzichtet werden und auch ein Teil der sonstigen betriebsnotwendigen, sicherheitsrelevanten Vorgänge vereinfacht und beschleunigt werden.

Alle genannten wissenschaftlichen Arbeiten sind sich darüber einig, dass durch die Einführung einer voll- bzw. teilautomatischen Kupplung im Güterverkehr sowohl betriebs- wie auch volkswirtschaftliche Vorteile zu erzielen sind. Trotz der positiven Bewertungen ist jedoch bis heute keine Einführung eines solchen Kupplungssystems in Europa gelungen, obwohl sich schon seit langem vielversprechende Kupplungstypen weltweit im Einsatz befinden, die z. T. auch das Migrationsproblem einer Umstellungsphase durch Kompatibilität mit der Schraubenkupplung lösen können. Güterwagen in Europa sind seit den 1970er Jahren konstruktiv für die Nachrüstung mit einer Mittelpufferkupplung vorbereitet, von diesen Wagen sind einige mittlerweile schon ausrangiert und damit diese Zusatzinvestitionen verloren.

Das Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, einerseits die technischen Anforderungen an diese Leitungskupplung mit Datenübertragung zu untersuchen, eine vereinfachte Risikoanalyse mit einer Gefährdungsermittlung und -einstufung durchzuführen, andererseits eine wirtschaftliche Bewertung mit Hilfe einer Nutzwertanalyse und einer Kosten-Nutzen-Analyse durchzuführen, bei der Investitionen und Nutzen einer solchen Leitungskupplung berücksichtigt werden. Dabei sollen die Ansätze bisheriger Arbeiten sowie die aktuellen technischen Entwicklungen berücksichtigt werden.

1.2 Aufbau des Berichtes

In Kapitel 2 wird der aktuelle Stand der Entwicklung von Mittelpufferkupplungssystemen untersucht. Dabei werden die wichtigsten, sich weltweit im Einsatz befindenden System kurz vorgestellt, Begriffe und Abgrenzungen eingeführt und definiert sowie auf Migrationserfahrungen hingewiesen. Kapitel 2 gibt darüber hinaus einen Einblick in Technologien zur Datenübertragung im Zugverband und greift abschließend einige der bekannten, Untersuchungen zum Potential von Mittelpufferkupplungen auf.

Das 3. Kapitel zeigt die Anforderungen an eine Mittelpufferkupplung mit elektrischer Leitungskupplung auf. Dabei werden grundlegende Annahmen vorgestellt sowie Kommunikation und Sicherheit untersucht. Abschließend werden die wichtigsten Anwendungsfälle dargestellt.

Im 4. Kapitel wird eines der beiden Hauptthemen dieses Berichtes, die Grundlagen für einen noch zu führenden Sicherheitsnachweis, ausführlich untersucht. Dabei wird auf das Risikoverfahren nach CSM-RA eingegangen und die sicherheitsrelevanten Funktionen ermittelt. Um abschließend eine vereinfachte Risikoanalyse durchzuführen, wird zuvor eine Systemdefinition entworfen.

In Kapitel 5 und 6 wird das zweite Hauptthema dieses Berichtes, die wirtschaftliche Betrachtung der neuen Mittelpufferkupplung mit elektrischer Leitungskupplung behandelt. Kapitel 5 zeigt wichtige Nutzwerte für EIU und EVU auf und führt darauf basierend eine Nutzwertanalyse durch. Im darauffolgenden 6. Kapitel wird eine Kosten-Nutzen-Analyse dieser Leitungskupplung durchgeführt, die sich an das bekannte Verfahren der „Standardisierten Bewertung von Verkehrswegeinvestitionen des öffentlichen Personennahverkehrs“ anlehnt.

Im abschließenden Kapitel 7 werden die Ergebnisse der Untersuchung nochmals kurz aufgegriffen und ein abschließendes Fazit gezogen.

2 Aktueller Stand der Entwicklung

2.1 Mittelpufferkupplungssysteme

2.1.1 Kupplungssysteme bei der Eisenbahn

Die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts, in Deutschland 1861 eingeführte, konventionelle Schraubenkupplung in Verbindung mit Seitenpuffern ist im europäischen Schienengüterverkehr mit Ausnahme Russlands und angrenzender, ehemaliger Sowjetrepubliken Standard [Sünderhauf2009]. Der Einsatz von automatischen bzw. teilautomatischen Kupplungssystemen beschränkt sich auf wenige Insellösungen mit z. T. unterschiedlichen, nicht oder nur teilweise kompatiblen Kupplungstypen.

In den meisten nicht-europäischen Ländern haben sich modernere, halb- und vollautomatische Mittelpufferkupplungssysteme durchgesetzt, die üblicherweise nicht nur Zug- sondern auch Druckkräfte zentral von Wagenkasten zu Wagenkasten übertragen. Bei Mittelpufferkupplungssystemen sind deutlich höhere maximale Zug- und Druckkräfte möglich als dies bei der Schraubenkupplung der Fall ist. Durch die Ausführung als Mittelpufferkupplung muss kein Rangierer zwischen die Wagen treten, was Unfälle reduziert. Die im Schienenpersonenverkehr bei Triebwagen heutzutage eingesetzten Kupplungstypen erlauben z. T. nicht nur ein vollautomatisches Kuppeln und Entkuppeln der mechanischen Verbindung, sondern auch der Druckluftleitungen für die Bremsen sowie der elektrischen Leitungen z. B. für Mehrfachtraktionssteuerung.

Im folgenden Abschnitt wird auf diese grundlegenden Funktionen eingegangen, anschließend die wichtigsten Kupplungssysteme und ihre Eigenschaften, Verbreitung und Migration vorgestellt. Siehe dazu auch die Übersicht „Entwicklung relevanter Kupplungssysteme und Sicherungstechnik“ im Anhang A.

2.1.2 Begriffe und Abgrenzungen

2.1.2.1 Kupplung

Unter dem Begriff „Kupplung“ versteht dieser Bericht die Verbindung zweier Eisenbahnfahrzeuge, z. B. zweier Wagen, miteinander. Das grundlegende Prinzip ist eine Verbindung, die eine Kraftübertragung ermöglicht, aber auch wieder unterbrochen werden kann. Bei den zu übertragenden Kräften wird zwischen Zug- und Druckkräften unterschieden.

2.1.2.2 Automatisch vs. halbautomatisch

Die für europäische Eisenbahnen typische Kupplung ist die Schraubenkupplung, die von einem Rangierer verbunden oder getrennt werden muss, in dem er die Spindel dreht und den 35 kg schweren Kupplungsbügel in den Zughaken ein- bzw. aushakt. Dazu muss der Rangierer in den „Berner Raum“ zwischen die beiden zu verbindenden oder zu trennenden Fahrzeuge treten, was einige Gefahren mit sich bringt und häufig zu Unfällen führt. Die Bestimmungen zum Berner Raum gehen zurück auf die Berner Vereinbarung über die Technische Einheit im Eisenbahnwesen von 1882. Bei dieser UIC-genormten Schraubenkupplung handelt es sich somit um eine nichtautomatische Kupplungsart.

Demgegenüber stehen Kupplungen, die häufig als automatisch bezeichnet werden, allerdings handelt es sich dabei oftmals um Kupplungen, die nur automatisch gekuppelt werden können, aber von einem Rangierer vor Ort entkuppelt werden müssen. Ebenso werden Kupplungen als z. T. als automatisch bezeichnet, obwohl Luftleitungen und ggf. andere elektrische Verbindungen manuell verbunden und getrennt werden müssen. Diese genannten Typen werden in diesem Bericht als halbautomatisch bezeichnet. Vollautomatisch sind daher nur solche Kupplungen, die außer der mechanischen Verbindung auch Luftleitungen und mindestens eine elektrische Verbindung ohne Hilfe eines Rangierers miteinander verbinden und trennen können.

2.1.2.3 Kraftübertragung

Schon die ersten Eisenbahnen besaßen Puffer zur Übertragung der Druckkräfte, da über Ketten o. ä. Verbindungen zwischen den Wagen nur Zugkräfte, aber keine Druckkräfte übertragen werden konnten. Diese Schutzpuffer verhinderten auch die Beschädigung der Wagen. Später federten Stangen- und Hülsenpuffer die einwirkenden Kräfte ab.

Zugkräfte wurden über spezielle Ketten und Zughaken übertragen, die gefedert eingebaut wurden, um plötzlich auftretende Kräfte abzuschwächen. Durch diese Federung konnten sich die Zughaken in Bögen strecken, wodurch Bogenfahrt und Kuppeln in Bögen ermöglicht wurden. Im gekuppelten Zustand ist immer nur eine Lasche mittels Schwengel, Spindel und Bügel mit einem Zughaken verbunden.

Im Gegensatz zu Schraubenkupplungen mit Seitenpuffern übertragen Mittelpufferkupplungen sowohl Zug- als auch Stoßkräfte.

In der folgenden Abbildung ist die Verbindung zweier Fahrzeuge mit der in Europa typischen UIC-Schraubenkupplung zu sehen.

Quelle: Wikimedia: Bezeichnunger_Schraubenkupplung.jpg

Abbildung 1: Kraftübertragung einer UIC-Schraubenkupplung

Typische Werte für übertragbare Zug- und Druckkräfte der UIC-Schraubenkupplung sind in folgender Tabelle dargestellt [Chatterjee1999].

Kraft

Wert

Max. übertragbare Zugkraft

500 kN

Max. übertragbare Druckkraft

2000 kN

Tabelle 1: Maximale Kräfte der UIC-Schraubenkupplung mit Seitenpuffern

2.1.3 MPK-Systeme, Anwendungsbeispiele und Migrationserfahrungen

2.1.3.1 Janney und Willison

In den USA entwickelte der Erfinder Eli H. Janney Ende der 1860er Jahren die nach ihm benannte Janney-Kupplung. Dabei handelt es sich um eine halbautomatische Mittelpufferkupplung, die auf dem Klauenprinzip aufbaut und sowohl Zug- als auch Druckkräfte überträgt. Die in den USA üblicherweise als „AAR Coupler“ (AAR steht für “Association of American Railroads)“ bezeichnete Kupplung lässt ein automatisches Kuppeln zu, Entkuppeln erfolgt manuell durch eine spezielle Zugstange. Luftleitungen müssen manuell miteinander verbunden werden. Janney-basierte Kupplungen sind nicht mit herkömmlichen Schraubenkupplungen kompatibel.

Quelle: Wikimedia:/RoySmith. railroad_Coupling_(CMRR).jpg

Abbildung 2: Janney-Kupplung

Per gesetzlichen Erlass vom Februar 1893 war die Janney-Kupplung binnen einer 5 Jahres-Frist für alle Eisenbahnfahrzeuge in den USA einzuführen. Diese Frist wurde um zwei Jahre verlängert und ab 1903 Fahrzeuge ohne halbautomatische Kupplungssysteme verboten [Seibt2010].

Die gegenüber Witterungseinflüssen und Verschmutzungen sehr robuste Janney-Kupplung ist heute in mehreren Varianten in den USA sowie Südamerika, Afrika, Australien und Asien im Einsatz [Seibt2010]. Eine Einführung in Europa wurde schon 1907 verworfen, da der geringe Greifbereich dieses Kupplungstyps in den engeren Gleisbögen europäischer Bahnen den Kuppelvorgang erheblich erschwert [Seibt2010].

Bis heute wurde die Janney-Kupplung mehrfach weiterentwickelt, die maximal möglichen übertragbaren Kräfte wuchsen an. Allerdings unterblieb bis heute trotz des Einsatzes der Kupplung auch im Personenverkehr eine Weiterentwicklung hinsichtlich automatischer Verbindung von Luftleitungen und elektrischen Kontakten [Wagner1997].

Kraft

Wert

Max. übertragbare Zugkraft

1200 kN

Max. übertragbare Druckkraft

2900 kN

Tabelle 2: Maximale Kräfte der Janney-Kupplung

1916 wurde die Janney-Kupplung zur Willison-Kupplung weiterentwickelt, die im Prinzip eine vereinfachte, robustere Variante der erstgenannten ist. Die Willison-Kupplung konnte sich wegen der zu diesem Zeitpunkt schon weit verbreiteten Janney-Kupplung in den USA nicht durchsetzen [Seibt2010b].

2.1.3.2 Scharfenbergkupplung