Eine Auseinandersetzung mit den beiden Zugbeeinflussungssystemen im Netz der S-Bahn Berlin.
Bei der mechanischen Fahrsperre handelt es sich um ein punktförmiges Zugbeeinflussungssystem, das beim Überfahren eines Halt zeigenden Signales eine Zwangsbremsung erwirkt. Die Informationsübertragung erfolgt mechanisch von einer Strecken- an eine Fahrzeugeinrichtung. Das System kommt im Netz der S-Bahn Berlin zum Einsatz. Abwandlungen werden teilweise auch im U-Bahn-Bereich eingesetzt.
Die Fahrsperre wurde ab 1926 von Siemens & Halske erprobt und zunächst zwischen dem damaligen Stettiner Bahnhof und dem Bahnhof Bernau eingesetzt. Die Fahrsperre wird daher auch als „Bernauer Fahrsperre“ bezeichnet. Im Einsatz bewährte sie sich schnell, sodass das System fortan auf Stadtbahn, Ringbahn und Zuläuferstrecken verbaut wurde.
Streckenseitig besteht die Fahrsperre aus einer beweglichen Sperrschiene, die an einem Gestell befestigt ist und von einer technischen Einrichtung (Antrieb) in zwei Lagen gebracht werden kann. Diese aus Metall bestehende Sperrschiene wird auch als Streckenanschlag bezeichnet. Die Fahrsperre wird für die eingezeichnete Wirkrichtung rechts am Gleis aufgestellt.
Steht das Signal auf Halt, wird der Streckenanschlag in Sperrlage gebracht.
Hierzu wird die Schiene zum Gleis hin umgeklappt.
Geht das Signal in Fahrt, wird zuvor die Schiene nach hinten (oben) weggeklappt.
Der Streckenanschlag befindet sich dann in Freilage.
Ein Triebwagen besitzt an den beiden äußeren Drehgestellen im unteren Bereich des Wagengestells je einen beweglichen Auslösehebel (jeweils in Fahrtrichtung rechts). Es ist jeweils nur der Hebel in der jeweiligen Fahrtrichtung wirksam.
In Sperrlage trifft dieser Hebel auf den Streckenanschlag. Dieser wird dadurch abgelenkt und betätigt ein Auslöseventil im Zug. Eine Zwangsbremsung wird erwirkt. Die Auslösung wird in einem Zählwerk in der Fahrzeugeinrichtung registriert. Befindet sich die Fahrsperre in Freilage, kommt kein Kontakt mit dem Hebel zustande.
Damit bei verbundenen Triebwagen (Mehrfachtraktion) die Auslösehebel der hinteren Fahrzeuge nicht durch den zugbewirkten Halt-Fall des Signals auf die Fahrsperre treffen, wird der Streckenanschlag erst zeitverzögert in Sperrlage gebracht.
Auch wenn die Auslösehebel in gegenläufiger Fahrtrichtung sowie bei gekuppelten Fahrzeugen in der Zugmitte inaktiv sind, so werden bei Strecken mit Gleiswechselbetrieb die Fahrsperren beider Seiten in die Freilage gebracht. Dies soll das unnötige Anschlagen verhindern und damit den Verschleiß an der Mechanik reduzieren. Bestimmte Stellwerksbauformen unterstützen dies jedoch nicht und die Fahrsperre verbleibt dann in Sperrlage.
Es gibt zudem unbewegliche Fahrsperren, die sich dauerhaft in Sperrlage befinden und damit keinen Antrieb benötigen. Sie sind besonders in Stumpfgleisen anzutreffen.
An den Sperrschienen sind meist Spuren häufiger Begegnungen mit dem Auslösehebel zu sehen. Dies muss keineswegs an häufigen Signalverfehlungen liegen. Bei Zugfahrten mit besonderem Auftrag (bspw. auf Ersatzsignal) befindet sich die Fahrsperre – bspw. bedingt durch Signal- oder Stellwerksstörungen – weiterhin in Sperrlage. Somit stößt der Hebel zwangsläufig gegen die Fahrsperre. Eine Zwangsbremsung wird dann durch eine Bedienhandlung im Fahrzeug unterbunden. Diese Aktion wird analog zur Auslösung in einem Zählwerk erfasst.
Die korrekte Position der Fahrsperre ist ein Kriterium für die Fahrt-Stellung des Signals. Daher wird die Fahrsperre zuerst umgestellt, ihre Endlage geprüft und dann das Signal in Fahrt gestellt.
Das System ist in seinen Möglichkeiten beschränkt, kann es doch nur eine Information übertragen und die Fahrt „sperren“. Eine Vorsignalisierung kann nicht übertragen werden. Ein Halt zeigendes Signal könnte somit ohne vorherige Geschwindigkeitsreduzierung überfahren werden. Daher muss der Abstand hinter dem Signal bis zum Gefahrenpunkt (Schutzstrecke) entsprechend lang dimensioniert sein, damit eine Gefährdung anderer Verkehre ausgeschlossen wird. Geschwindigkeitsvorgaben durch Langsamfahrstellen werden ebenfalls nicht überwacht.
Eine Verbreitung über den eher langsam verkehrenden Stadtverkehr hinaus erfolgte nicht. Im Laufe der Zeit genügte es den Sicherheitsanforderungen bzw. der Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung (EBO) nicht mehr (bspw. wegen fehlender Überwachung des Anfahrens gegen Halt zeigende Signale). Auch war es für steigende Zugfolgezeiten hinderlich, da bspw. viel Raum hinter einem Halt zeigenden Signal als Schutzstrecke reserviert ist. Auch der hohe Instandhaltungsaufwand der Mechanik führte zur Entwicklung eines anderen, berührungslosen Systems; dem ZBS. Für den weiteren Betrieb der Fahrsperre besteht aktuell eine Übergangszeit bis zum Ende des Jahres 2028.
Das Zugbeeinflussungssystem S-Bahn Berlin (ZBS) ist ein eigenständiges System zur Zugbeeinflussung mit punktförmiger Übertragung und kontinuierlicher Überwachung. Es wurde für den Nahverkehr (Triebwagen mit definierter Bremsleistung) sowie hohe Zugfolgezeiten konzipiert und kommt bei der S-Bahn Berlin zum Einsatz. Entwickelt wurde es parallel zum European Train Control System (ETCS) ab Mitte der 1990er Jahre. Es enthält daher Merkmale des ETCS-Standards nach Level 1, ist mit selbigen jedoch nicht kompatibel. Die Entwicklung erfolgte von der heutigen Siemens Mobility in Zusammenarbeit mit der DB Netz und der S-Bahn Berlin. Erste Inbetriebnahmen folgten in den 2010er Jahren. Bisherige Planungen sahen vor, dass das gesamte Netz bis 2025 auf ZBS umgestellt wird und damit die Fahrsperren vollständig abgelöst werden (Ablauf der Übergangszeit zur Verwendung der Fahrsperre). Im Jahr 2024 wurde die Übergangszeit bis in das Jahr 2028 verlängert.
ZBS besteht aus einer fahrzeugseitigen Einrichtung sowie der streckenseitigen Ausrüstung mit ETCS-Hardware; Eurobalisen und Lineside Electronic Unit (LEU)(stellwerksabhängig). Als Komponenten kommen die Eurobalise S21, die Trainguard LEU S21, die Trainguard MiniLEU S11 sowie als Fahrzeuggerät Trainguard ZUB 242 von Siemens Mobility zum Einsatz. Letzteres wird für die Führerstandsanzeige mit dem Multifunktionsanzeiger MAZ 154 von messMa ergänzt. Die Datenübertragung erfolgt unidirektional durch Balisen an das Fahrzeug. Aufgrund des punktförmigen Charakters werden Informationen (insb. zum Fahrweg) erst bei Überfahrt entsprechender Balisen im Fahrzeug registriert.
Die Fahrt erfolgt signalgeführt. Die ZBS-Fahrzeugeinrichtung arbeitet verdeckt. Im Führerstand werden Überwachungszustände dargestellt, jedoch keine Führungsgrößen angezeigt (mit geringen Ausnahmen). Eine wie bei der punktförmigen Zugbeeinflussung (PZB) vorgegebene Quittierung fahrteinschränkender Signale ist beim ZBS nicht vorgesehen (analog zu ETCS). Situationsbedingt sind jedoch Frei- und Befehlstaste zu bedienen.
Eine Fahrt im ZBS beruht auf verschiedenen Betriebsmodi und Geschwindigkeitsprofilen. Letztere werden anhand der Fahrweginformationen sowie den Fahrzeug-Eigenschaften gebildet. Die Einhaltung des jeweils restriktivsten Wertes aller Geschwindigkeitsprofile wird kontinuierlich und in Abhängigkeit des Betriebsmodus überwacht. Überschreitungen der zulässigen Geschwindigkeit führen zu einer Zwangs(betriebs)bremsung des Zuges. Signalverfehlungen (Halt zeigendes Signal überfahren) und unerlaubte Rollbewegungen führen ebenfalls zu einer Zwangsbremsung.
Es werden zwei unterschiedliche Profile zur Geschwindigkeitsüberwachung unterschieden: Das statische und das dynamische Geschwindigkeitsprofil. Streckenseitige Informationen zur erlaubten Geschwindigkeit sowie den Neigungen bilden einen Bestandteil des statischen Profils. Diese Angaben werden aus den Datenpunkten (zusammengehörige Balisen) in Form übermittelter Telegramminhalte gewonnen.
Ergänzt wird das statische Profil um Fahrzeugdaten, wie die Fahrzeughöchstgeschwindigkeit und die Zuglänge. Aus all jenen Daten resultiert die statische Überwachung.
Das dynamische Geschwindigkeitsprofil zielt auf die Bremseigenschaften des Zuges ab. Hierbei berücksichtigt es die spezifische Brems- und Traktionsleistung sowie die Daten aus dem statischen Profil und bildet daraus die dynamische Überwachung, die kontinuierlich auf Grundlage des Fahrzeugstandorts neu gebildet wird. Aus allen vorliegenden Daten berechnet die ZBS-Fahrzeugeinrichtung den zulässigen Geschwindigkeitsbereich, der jeweils den restriktivsten Wert der Profile repräsentiert.
Es folgt ein Beispiel für ein spezifisches Fahrzeug.
Ein Zugfahrt befährt die Strecke mit der zulässigen Geschwindigkeit von 80 km/h (statische Überwachung). Im übermittelten Fahrwegprofil wird nach einer gewissen Distanz eine Langsamfahrstelle von 60 km/h erreicht. Auf Grundlage der Zugeigenschaften sowie den Daten von der Strecke (insb. Neigungen) wird die Überwachungsbremskurve berechnet (dynamische Überwachung). Sie mündet im Geschwindigkeitsübergang zu den 60 km/h.
Nach dem vollständigen Passieren dieser Langsamfahrstelle könnte der Zug auf die zulässige Höchstgeschwindigkeit des Signalisierungsabschnitts (sogenannte Grenzgeschwindigkeit) von 120 km/h beschleunigen. Da die Fahrzeughöchstgeschwindigkeit niedriger ist, wird jene Einhaltung überwacht.
Fallbezogen führen Geschwindigkeitsüberschreitungen entweder zu einer statischen Zwangsbremsung (bremsen bis zum Stillstand) oder zur dynamischen Zwangsbremsung (Abbremsen auf die zulässige Geschwindigkeit). Im oben dargestellten Streckenverlauf lösen Überschreitungen von mehr als 3 km/h eine dynamische Zwangsbremsung aus.
Bei Zufahrten auf Halt zeigende Signale (Zielgeschwindigkeit = 0 km/h) kommt das Konzept der Freigabegeschwindigkeit zur Anwendung. Hierbei mündet die ablaufende Überwachungsbremskurve nicht in der Zielgeschwindigkeit, sondern in einem Geschwindigkeitsbereich von 10 km/h bis maximal 40 km/h, wobei 40 km/h den Regelfall darstellt (bei der Baureihe 481 liegt eine fahrzeugseitige Beschränkung von max. 35 km/h vor). Jener festzulegender Wert wird Freigabegeschwindigkeit genannt. Die Einhaltung dieser Geschwindigkeit wird statisch überwacht.
Fährt ein Zug somit auf ein Hauptsignal zu, das zuvor mit einem Halt erwarten angekündigt wurde, so muss bis zur Freigabegeschwindigkeit abgebremst werden. Aus dem Stand darf der Zug bis auf die Freigabegeschwindigkeit beschleunigt werden und sich dem Halt zeigenden Signal annähern. Kommt das Signal währenddessen in Fahrt, wird bei Überfahrt eines zugehörigen Datenpunktes die Aufwertung übertragen und der zulässige Geschwindigkeitsbereich aktualisiert.
Ein Zug könnte somit mit einer Geschwindigkeit von bis zu 40 km/h ein Halt gebietendes Signal überfahren. Durch das Auswerten des Telegramm der zweiten Balise werden die Grenz- und Freigabegeschwindigkeit auf 0 km/h gesetzt. Es wird eine statische Zwangsbremsung und ein Wechsel des Betriebsmodus erwirkt. Dadurch, dass die Bremskurve an der ersten Balise endet (Erläuterung folgt in #26), sich die Balisenantenne nicht an der Zugspitze befindet und zusätzlich (geringe) Verarbeitungszeiten auftreten, ergibt sich insgesamt ein Überhang in der Reaktion.
Die Freigabegeschwindigkeit wird so bemessen, dass der Zug vor dem Gefahrenpunkt zum stehen kommt und somit keine unmittelbare Gefährdung auslösen kann. Die Freigabegeschwindigkeit berücksichtigt die örtlichen Verhältnisse und darf zugleich die zulässige Streckengeschwindigkeit (insb. bei Langsamfahrstellen) nicht überschreiten. Berücksichtigung findet auch das Anfahren gegen ein Halt zeigendes Signal, bei dem sich der Zug in der Beschleunigung befindet und dann rechtzeitig abgebremst werden muss.
Bei Zufahrt auf ein Halt zeigendes Signal wird bei einer Geschwindigkeitsüberschreitung innerhalb der Überwachungbremskurve generell eine statische Zwangsbremsung ausgelöst. Gleiches gilt für das Überschreiten der Freigabegeschwindigkeit.
Damit im Führerstand die eingeleitete Bremskurvenüberwachung ersichtlich wird, erfolgt eine Anzeige mit zusätzlicher Angabe der Freigabegeschwindigkeit im ansonst verdeckt arbeitenden System.
Der hinter dem Halt zeigenden Signal freizuhaltende Abschnitt wird ZBS-Schutzstrecke genannt. Sie erstreckt sich von der ersten Balise am Signal (siehe später #26) bis zum maßgebenden Gefahrenpunkt.
Die planerische Auslegung der ZBS-Schutzstrecke unterscheidet sich von der Schutzstrecke der Fahrsperre. Hierbei liegen neben einem anderen Bezugspunkt auch andere Bemessungsgrundlagen und Anforderungen vor, wobei die ZBS-Schutzstrecke aufgrund genannter Fahrzeugüberwachung (wesentlich) kürzer als die der Fahrsperre ausfällt. Handelt es sich um eine streckenseitige Dreifachausrüstung mit zusätzlicher PZB kommt wiederum eine weitere Schutzstrecke dazu, die bei der PZB Berücksichtigung findet.
Es werden verschiedene Betriebszustände für Fahrten unterschieden. Die Übernahme eines Zustands bzw. der Übergang erfolgt in der Regel automatisch durch ein eingetretenes Ereignis. Hierbei handelt es sich überwiegend um gelesene Informationen aus Datenpunkten. Dazu zählen bspw. das Zulassen einer Zugfahrt, aber auch eingetretene, statische Zwangsbremsungen oder Reaktionen bei Störungen. Situationsbedingt kann eine Mitwirkung des Fahrpersonals erforderlich sein.
Die Zugfahrt wird im Führerstand mit einem Z angezeigt und die Fahrzeuggeschwindigkeit per statischem und dynamischem Geschwindigkeitsprofil überwacht. Durch das Lesen eines entsprechenden Datenpunkts (bspw. Fahrt-Begriff am Hauptsignal) wird das Fahrzeug in den Zustand Z aufgenommen.
Analog verhält es sich mit der Rangierfahrt. Hierbei wird die Einhaltung der Höchstgeschwindigkeit von 25 km/h überwacht. Eine dynamische Überwachung mit Bremskurven gibt es nicht, da die Fahrbewegung ohne vordefinierten Zielpunkt erfolgen kann (ein Merkmal von Rangierbewegungen). Wird an einem Signal die Rangierfahrt zugelassen und diese Information an einem Datenpunkt übermittelt, wird der Zustand R automatisch eingenommen. Gleiches gilt für das Befahren von Rangierbereichen mit einem entsprechenden Datenpunkt.
Des Weiteren gibt es den Zustand Bereitschaft. Die Ausprägung B ist der Grundzustand. Dieser wird nach Aufrüstung des Fahrzeugs eingenommen; es liegen keine streckenseitigen ZBS-Daten vor. Es wird eine Höchstgeschwindigkeit von 25 km/h überwacht.
Die Ausprägung X tritt automatisch ein, wenn ein Fahrzeug zuvor in einem ZBS-Bereich gefahren ist und diesen Bereich verlassen hat (Bereichsende: Strecke mit Fahrsperre ohne ZBS). Sie kann zudem durch eine Bedienhandlung im Stillstand eingenommen werden, wenn zuvor der Zustand B vorlag. In beiden Fällen wird die Fahrzeughöchstgeschwindigkeit überwacht.
Der Störbetrieb liegt vor, wenn die ZBS-Fahrzeugeinrichtung inaktiv ist (bspw. wenn der Störschalter eingelegt ist).
In den Zustand Befehlsfahrt wird automatisch zurückgefallen, wenn ein Halt zeigendes Signal überfahren wurde oder eine Datenpunktstörung dies erwirkt hat. Abhängig von den Rahmenbedingungen (bisheriger Betriebszustand, Informationen aus dem Datenpunkt) wird die Ausprägung R oder Z eingenommen. Jene Ausprägungen sind intern verwaltete Zustände mit unterschiedlicher Geschwindigkeitsvorgabe. Liegt am nächsten Datenpunkt wieder eine Fahrterlaubnis vor (bspw. am folgenden Hauptsignal), erfolgt eine Aufnahme in den jeweiligen Betriebszustand (bspw. Zugfahrt).
Für die Auswahl eines zum eingestellten Fahrweg zugehörigen Telegramms kommt die LEU ins Spiel. In ihr sind alle für die verbundenen Balisen möglichen Telegramme hinterlegt. Die LEU existiert in mehreren Varianten, die abhängig von der Stellwerksbauform und der Art auszuwertender Informationen eingesetzt werden. Klassischerweise besteht sie aus einem eigenständigen System, das in einem Schaltkasten am Signalmast oder in unmittelbarer Nähe aufgestellt wird.
Die Funktionsweise ist denkbar einfach. Damit die LEU die Fahrweginformationen erhält, werden die Leitungen zu den Signallampen rückwirkungsfrei abgegriffen und es wird gemessen, ob ein Strom fließt. Auch das Blinkmuster einer Signallampe wird derart registriert. Leuchtet bspw. die Grünoptik, registriert die LEU den Strom und überträgt das zu diesem Fahrweg hinterlegte Telegramm kontinuierlich an die verbundene Balise. Die Zuordnung von den Zuständen der Lampenstromkreise zum Fahrweg ist bijektiv (eineindeutig); zu jeder möglichen Kombination aus den abgegriffenen Zuständen existiert genau ein Telegramm, das nur für den einen, spezifischen Fahrweg (mit der spezifischen Signalausleuchtung) verwendet wird.
Gleich verhält es sich bei fahrwegverzweigenden Elementen. Lässt sich auf Grundlage des Signalbegriffs (aufleuchtender Geschwindigkeit- oder Richtungsanzeiger) die Lage der nachfolgenden Weiche(n) feststellen, wird das für den Fahrweg vorgesehene Telegramm ausgesendet.
Lässt sich der eingestellte Fahrweg auf diese Weise nicht ermitteln (da das Signal unabhängig von dem nachfolgenden Weichenbereich immer den gleichen Signalbegriff darstellt), wird die Fahrweginformation auf Grundlage der Weichenlage(n) vom Stellwerk abgegriffen.
Sollten generell die von der LEU abgegriffenen Informationen unplausibel oder die Verbindung zwischen LEU und verbundener Balise gestört sein, ist in der LEU und der Balise ein Default-Telegramm hinterlegt, das in diesem Fall ausgegeben wird.
Während die vorherige Art der LEU bei Stellwerken des Typs Simis C sowie anderen Stellwerksbauformen zum Einsatz kommt, verhält es sich bei der neueren Stellwerksgeneration Simis D anders. Dies liegt an der Art und Weise, wie die Signale angesteuert werden. In Simis C sind die Signallampen direkt mit Stellteilen im Stellwerksgebäude verbunden und werden von dort geschaltet. In Simis D wird die Signalinformation per Kommunikationsschnittstelle an ein modulares Stellteil (MSTT) am Signal übertragen. Das MSTT schaltet vor Ort die einzelnen Signallampen. Für ZBS wird das MSTT einfach um die LEU-Funktionalität erweitert. Somit entfällt ein Abgriff zur Strommessung.
Eine weitere Variante stellt die MiniLEU dar. Wie die zuerst vorgestellte LEU greift sie Informationen ab und ermittelt daraus das zugehörige Telegramm für die verbundene Balise. Sie verarbeitet allerdings nur Aktiv/Inaktiv-Zustände, wie sie bei einem PZB-Magneten verwendet werden. Einsatzbereiche sind Überwachungssignale von Bahnübergängen oder alleinstehende Lichtsperrsignale.
Eine Balise übermittelt immer genau ein Telegramm. Balisen, die ein Telegramm mit stets denselben, unveränderlichen Informationen übertragen, werden als Festdatenbalisen bezeichnet. Transparentdatenbalisen können veränderliche Daten übermitteln, wie die Fahrweginformationen auf Grundlage des Signalbildes. Im Gegensatz zur Festdatenbalise besitzt sie daher eine Zuleitung von der LEU.
Balisen werden zu Datenpunkten zusammengefasst. Ein Datenpunkt wird durch eine einzelne (einsame) Balise oder eine Gruppe von zwei aufeinanderfolgenden Balisen repräsentiert (in ETCS kann eine Gruppe aus bis zu acht Balisen bestehen). Eine Balisengruppe muss vollständig befahren werden, um den gesamten Informationsgehalt eines Datenpunkts auswerten zu können. Balisenbezogene Informationen (Erläuterung folgt in #42) können sofort bei Überfahrt verwendet werden.
Eine Einzelbalise kann entweder Festdaten- oder Transparentdatenbalise sein. Eine Balisengruppe besteht in der Regel aus einer Festdaten- und einer Transparentdatenbalise. Die Gruppe kann auch nur aus Festdatenbalisen zusammengesetzt sein. Die Abbildung zeigt einige mögliche Kombinationen und wird bei nachfolgenden Beispielen gleichbleibend verwendet.
Datenpunkte übertragen richtungsbezogene Inhalte, die bei einer Befahrung in der Gegenrichtung nicht ausgewertet werden. Zu diesem Zweck besitzt jeder Datenpunkt eine Orientierung. Auskunft dazu gibt die Angabe M_PIG (Position in Group).
Eine Balisengruppe beginnt immer mit einer Festdatenbalise der Kennung M_PIG = 1. Die zweite Balise erhält den Wert M_PIG = 2. In der gewöhnlichen Fahrtrichtung folgt somit auf die 1 die 2. Dies wird nominale Fahrtrichtung genannt. Wird die Balisengruppe in entgegengesetzter Richtung befahren – auf die 2 folgt die 1 – dann handelt es sich um die reverse Reihenfolge.
Balisen mit M_PIG = 1 werden Markierungsbalisen genannt und werden zur Bestimmung der Orientierung benötigt. Sie bilden den Referenzpunkt eines Datenpunktes (vgl. Bremskurven und Beginn der ZBS-Schutzstrecke in #8). Balisen mit M_PIG = 2 werden Informationsbalisen genannt, da sie fahrwegbezogene Informationen übertragen. Eine Informationsbalise kann entweder eine Festdaten- oder Transparentdatenbalise sein.
Eine Einzelbalise besitzt die Kennung M_PIG = 0. Werden fahrwegbezogene Daten bereitgestellt trägt sie den Namen Informationsbalise (analog zu Balisen mit M_PIG = 2). Stellt die Einzelbalise keine Fahrweginformationen zur Verfügung, dann wird sie als Ortsreferenz herangezogen und trägt den Namen Ortungsbalise.
Auch eine Einzelbalise besitzt eine Orientierung. Sie ergibt sich jedoch aus dem Kontext und wird innerhalb des Telegramms eines zuvor befahrenen Datenpunkts definiert (folgendes Thema Hilfsverkettung in #31).
Jeder Datenpunkt besitzt eine eigene Identität. Sie setzt sich aus den zwei Angaben NID_C und NID_BG aus dem ETCS-Standard zusammen. NID_C ist der Regionsbezeichner, der auch das System kennzeichnet. ZBS-Balisen werden stets mit dem Wert 105 belegt. NID_BG bildet eine Kennung des Datenpunktes, die innerhalb der Region (NID_C), konfliktfrei vergeben werden muss. Balisen innerhalb einer Gruppe besitzen die gleiche NID_BG. Zusammen mit der Angabe M_PIG wird eine einzelne Balise eindeutig identifizierbar. Die drei Angaben sind fester Bestandteil eines zu übertragenen Telegramms.
Für Zugfahrten (und teilweise bei der Befehlsfahrt) kommt das Konzept der Verkettung (sogenanntes Linking) zum Einsatz. Hierbei werden alle in dem jeweiligen Fahrweg liegenden Datenpunkte in der zu befahrenen Reihenfolge logisch miteinander verbunden. Sie bilden den Fahrweg. Typischerweise erstreckt sich die Verkettung vom Fahrstraßenstart bis zum Fahrstraßenziel.
Innerhalb der Verkettungsinformation wird angegeben, ob ein Datenpunkt nominal oder reverse befahren wird. Den Einzelbalisen wird so eine Orientierung zugewiesen. Die Fahrweginformationen reverse befahrener sowie unverketteter Datenpunkte werden nicht ausgewertet (Ausnahme und Anmerkung ab #46). Bei Fahrten ohne Verkettung (bspw. Rangierfahrten) werden die Nutzdaten von Einzelbalisen daher nicht berücksichtigt.
Neben der Orientierung wird die jeweilige Distanz zwischen den Datenpunkten (genauer: den Referenzorten) inkl. eines Toleranzzuschlags angegeben. Dies dient zum einen der Fehlererkennung, wenn erwartete Balisen nicht gelesen wurden. Für diesen Fall wird eine Reaktion der ZBS-Fahrzeugeinrichtung in der Verkettungsangabe definiert. Sie reicht von einer temporären Störungsoffenbarung im Führerstand bis zu einer statischen Zwangsbremsung mit anschließender Befehlsfahrt. Zum anderen steht beim Lesen eines Datenpunkts der genaue Fahrzeugstandort durch das Abgleichen der Soll-/Ist-Distanz fest (Thema in #33).
Die Verkettung erfolgt in mehreren Ebenen. Auf der obersten Ebene existiert die Grundverkettung (Basic Linking). Sie spannt den Bogen zwischen Start- und Zielpunkt. Eine feinere Abstufung sind die Hilfsverkettungen (Auxiliary Linking). Hierbei werden alle Datenpunkte innerhalb der Grundverkettung miteinander verbunden. Die Verkettungsinformationen werden zu Beginn am befahrenen Datenpunkt übertragen (Start-Signal). Sie können jedoch an bestimmten Punkten erneuert werden, wenn bspw. ein Vorsignal eine zwischenzeitliche Fahrt-Stellung des Zielsignals signalisiert und am zugehörigen Datenpunkt überträgt.
Das Fahrzeug verfügt über Komponenten zur Erfassung der Geschwindigkeit und zur zurückgelegten Distanz. Dazu gehören bspw. Wegimpulsgeber oder Radarsensoren (Stichwort Odometrie). Diese werden zur Ermittlung des aktuellen Standorts für die Überwachung des zulässigen Geschwindigkeitsbereichs und für die Prüfung der Verkettungsdistanzen benötigt. Durch Radschlupf können diese Einrichtungen jedoch nicht hinreichend genau arbeiten (durch Schleudern oder Gleiten, bspw. auf nassen, mit Blättern bedeckten Schienen). Es entstehen Wegmessfehler, die sich mit der zurückgelegten Distanz vergrößern.
Durch die Angabe der Distanzen innerhalb der Grund- und Hilfsverkettung steht beim Lesen eines Datenpunkts der tatsächliche Fahrzeugstandort fest. Die Identität eines Datenpunktes wird somit als „Kilometerstein“ für das Fahrzeug herangezogen und der Wegmessfehler zurückgesetzt. Wird der Abstand zwischen zwei regulären Datenpunkten als zu groß erachtet, können zusätzliche Ortungsbalisen eingesetzt werden. Ist die Kenntnis zum genauen Standort von großer Bedeutung, können ebenfalls Ortungsbalisen eingesetzt werden. Dies trifft bspw. auf die Zufahrt auf einen Prellbock in einem Stumpfgleis zu, um die Überwachungsbremskurve exakt bis zum zugehörigen Datenpunkt ablaufen zu lassen. Die Abweichungen in der Abbildung sind zur besseren Veranschaulichung übertrieben dargestellt (größere Abweichungen rufen eine Reaktion des ZBS-Fahrzeuggeräts hervor, siehe #30). Da streckenseitig (bspw. der Standort einer Balise) und durch die Auflösung von Daten ebenfalls Ungenauigkeiten bestehen wird generell ein Grundfehler in Berechnungen berücksichtigt.
Jeder Datenpunkt besitzt einen bestimmten Typ, der wiederum die Telegramminhalte bestimmt und die Funktion charakterisiert. Hierbei bestehen insgesamt 19 unterschiedliche Typen, von denen eine Auswahl nachfolgend dargestellt wird.
Thematisiert wurde bereits der Hauptsignal-Datenpunkt, der Zugfahrten zulässt und eine Systemaufnahme in den Betriebszustand Z ermöglicht. Kann das Hauptsignal auch Rangierfahrten zulassen, kommt wiederum ein anderer Typ zum Einsatz.
Das ZBS-Systemende (als Übergang in einen Bereich mit Fahrsperren) ist wiederum ein anderer Typ. Dieser wird redundant ausgelegt. Je nach Betriebsmodus wird bereits am ersten, jedoch spätestens am zweiten Datenpunkt der Übergang in den Bereitschaftsmodus X vollzogen.
Des Weiteren gibt es Datenpunkte für alleinstehende Vorsignale...
...und auch den Typ als Zielpunkt im Stumpfgleis, dessen Überfahrung einen Zustandswechsel in eine Befehlsfahrt Z mit einer zulässigen Geschwindigkeit von 0 km/h hervorruft.
Zu letzterem zählt der passend mit „Sh 2“ (Bedeutung: Schutzhalt) beschriftete Datenpunkt.
Weiter existiert ein Typ zur Aufwertung. Dieser ist meist im Bahnsteigbereich zu finden. Hat ein Zug im hinteren Bereich des Bahnsteigs gehalten und das Signal ging zwischenzeitlich von Halt in Fahrt, wird diese Information bereits am Aufwertedatenpunkt erfasst. Durch die damit einhergehende Aktualisierung des zulässigen Geschwindigkeitsbereichs wird der Zug aus der Freigabegeschwindigkeit entlassen und kann ab diesem Punkt wieder beschleunigt werden.
Auch alleinstehende Lichtsperrsignale besitzen einen eigenen Typ.
Interessant wird es jedoch bei lokführerüberwachten Bahnübergangen (BÜ). Wird der BÜ am Überwachungssignal betriebsbereit signalisiert, dann verhält sich der zugehörige Datenpunkt wie eine Ortungsbalise. Ist der BÜ gestört, wird hingegen ein BÜ-Telegramm zur anzupassenden Geschwindigkeitsüberwachung übermittelt. Je Anwendungsfall ändert sich somit der Typ und damit der Telegramminhalt.
Zum Abschluss noch ein Blick in den Aufbau eines ZBS-Telegramms. Hierbei werden zuvor behandelte Informationen in den Telegrammen verortet. Weitere Bestandteile werden nicht oder nur verkürzt dargestellt. ZBS verwendet die Telegrammdefinition des ETCS-Standards nach der ersten Spezifikationsversion SRS 5a aus dem Jahr 1998. Im Laufe der Zeit wurden die ETCS-Spezifikationen angepasst und Paketdefinitionen und Datenfelder geändert, wobei Grundstrukturen und wesentliche Inhalte gleichgeblieben sind (aktuell ist die SRS-Version 3.6.0 (ETCS Baseline 3 Release 2) aus 2016). Gleichbleibend ist das Konzept zur Erstellung eigener Inhalte innerhalb eines festgelegten Pakets. Systeme außerhalb von ZBS, die sich dieses Konzept ebenfalls zunutze machen sind bspw. die Geschwindigkeitsüberwachung für NeiTech-Züge (GNT) oder das ZSI 127 bei der Rhätischen Bahn (vgl. SigCH #86).
Ein Telegramm besteht aus einem festen Kopf und mehreren vordefinierten Paketen. Ein Paket setzt sich aus mehreren Datenfeldern zusammen, von denen einige obligatorisch mit Inhalten belegt sein müssen (bspw. die Gesamtgröße des Pakets). Ein Datenfeld besitzt eine definierte Größe mit einer festgelegten Anzahl an Bits.
Die Gesamtgröße eines Telegramms umfasst entweder 341 Bit (Kurztelegramm) oder 1023 Bit (Langtelegramm), von denen 210 Bit bzw. 830 Bit für die Übertragung signaltechnischer Informationen verwendbar sind. Je nach Anzahl und Größe der enthaltenen Pakete wird daher ein Kurz- oder ein Langtelegramm verwendet.
Ein Telegramm besteht mindestens aus einem Telegrammkopf sowie den Paketen 1 und 255. Dieser Mindestumfang wird unabhängig von der Befahrung (nominal/reverse) immer übermittelt. Das Telegramm einer Markierungsbalise ist mit diesen Inhalten schon vollständig charakterisiert.
Im Kopf findet sich die Angabe M_PIG wieder. Zur Identität des Datenpunktes tragen die Angaben NID_C und NID_BG in Paket 1 bei. Das Telegramm endet mit dem Paket 255, das den verbleibenden Platz eines Kurz- bzw. Langtelegramms mit 1binär auffüllt. Kopf und Paket 1 umfassen zusammen 54 Bit, wodurch 156 Bit mit binären Einsen aufgefüllt werden, um somit ein Kurztelegramm mit 210 Bit bilden.
Im ETCS-Standard ist das Paket 44 als frei definierbarer Bestandteil enthalten, welcher von einem reinen ETCS-System nicht ausgewertet wird. Das Paket dient der Informationsübertragung für nationale Systeme und übertragt hier die ZBS-spezifischen Nutzdaten in maximal 296 Bit. Das Paket 44 wird im ZBS nur bei nominaler Befahrung ausgewertet. Zur Mindestausstattung des Pakets gehört der Typ des Datenpunktes. Aus diesem Typ werden die weiteren Datenfelder innerhalb des Pakets abgeleitet. Ein weiteres Pflichtfeld ist der boolesche Wert (Ja/Nein), ob es sich um ein Default-Telegramm handelt. Lautet die Antwort Ja (= 1), erhält das ZBS-Fahrzeuggerät damit die Information, dass eine Störung an dem Datenpunkt bzw. der LEU vorliegt (und wechselt ggf. in dem Modus Bereitschaft B). Mit dem hier beschriebenen Aufbau sind die wesentlichen Bestandteile einer Balise vom Typ Ortsreferenz (Ortungsbalise) bereits benannt.
Andere Datenpunkttypen ergänzen die Pflichtfelder um weitere Inhalte. So sind beim Rangiersignal Datenfelder zu Rangier- und Befehlsfahrtgeschwindigkeiten vorhanden.
Für jeden möglichen Fahrweg ist ein spezifisches Telegramm in der LEU abgelegt. Da im Sinne vom ZBS bei Rangierfahrten keine Fahrwege bestehen, kann eine Rangierfahrt entweder zugelassen (Sh 1 (DS) bzw. Ra 12 (DV)) oder verboten werden (Hp 0). Inklusive des Default-Telegramms existieren an einem reinen Rangiersignal somit drei verschiedene Telegramme.
Eine eigene Kategorie bilden Datenpunkte, die eine Zugfahrt zulassen (Hauptsignal) und Aufwertungen übertragen können (bspw. Vorsignal). Jene Datenpunkte sind zugleich Start- bzw. Aktualisierungspunkt für die Verkettung. Die hierfür benötigten Pakete 4 und 5 werden im Anschluss erläutert.
Das Paket 44 umfasst die für die Zugfahrt vom Start zum Ziel-Datenpunkt geltenden Geschwindigkeiten, Streckenprofile und sonstige Angaben, wie das Vorhandensein eines Signals mit weiß-schwarz-weiß-schwarz-weißen Mastschild, das ein anderes Betriebsverfahren bei Halt-zeigenden und gestörten Signalen vorgibt.
Für jede ab dem Signal mögliche Fahrwegkombination ist somit ein eigenes Telegramm hinterlegt.
Das Paket 4 enthält die Grundverkettung. Neben den Angaben zur Auflösung der Daten, wird der Ziel-Datenpunkt (NID_BG) mit seiner zu befahrenen Orientierung (im ZBS stets nominal) angegeben. Des Weiteren wird die Distanz mit ihrer Genauigkeit hinterlegt. Wird der Ziel-Datenpunkt nicht nach der erwarteten Distanz bzw. nicht innerhalb des Erwartungsbereichs gelesen, erfolgt die hinterlegte Fehlerreaktion (im ZBS stets eine statische Zwangsbremsung).
Die Hilfsverkettungen werden durch das Paket 5 übertragen. Ähnlich zur Datenstruktur einer Liste können hier die Daten für bis zu acht folgende Datenpunkte inkl. der befahrenen Orientierung und spezifischer Fehlerreaktion hinterlegt werden. Sollten mehr als sieben Datenpunkte zwischen Start- und Ziel liegen, können sogenannte Verkettungsstützpunkte gewählt werden. Hierzu wird das Telegramm eines unterwegs liegenden Datenpunkts um das Paket 5 mit den verbliebenen Datenpunkten ergänzt. Dieser Verkettungsstützpunkt kann auch ein reverse befahrener Datenpunkt sein. Für diese Befahrungsrichtung wird das inhaltsgleiche Paket 133 verwendet.
Die Inhalte der beiden Pakete entsprechen wieder denen des SRS 5a. Da in Paket 44 bereits Angaben zum Fahrweg gemacht wurden, sind einige Felder der Pakete 4 und 5 (bzw. 133) jedoch nicht belegt.
Temporäre Langsamfahrstellen bilden übrigens einen eigenen Datenpunkttyp mit spezifischen Datenfeldern und werden unverkettet in den Fahrweg eingebracht, um die bestehenden Verkettungen anderer Datenpunkte nicht ändern zu müssen.
Wie bereits dargestellt, wird das Paket 44 nur bei nominaler Befahrung ausgewertet. Analog zum Hilfsverkettung existiert aber ein Pendant für die reverse Befahrung. Dieses Paket 172 ist inhaltsgleich zum Paket 44, vielmehr identisch mit dem ersten dargestellten Beispiel für das Paket 44; dem Ortsreferenz-Datenpunkt. Dies ist nützlich, wenn ein nominal befahrener Datenpunkt im mehreren Fahrwegen liegt, das Paket 44 des Datenpunkts jedoch nur für bestimmte Fahrwege berücksichtigt werden soll. Für die übrigen Fahrwege wird in der Verkettung eine reverse Befahrung angegeben, wodurch der Datenpunkt durch das ausgewertete Paket 172 nur eine Ortsreferenz darstellt. Andere Datenpunkttypen sind im Paket 172 nicht vorgesehen.
Zusammenfassend besteht jedes Telegramm somit aus dem Kopf, den Paketen 1 und 255 sowie kontextabhängig den Paketen 4, 5, 133 und 172.