Technische Universität Berlin TU Berlin FG Schienenfahrzeuge Sekr. SG 14 Salzufer 17-19, D-10587 Berlin FACHBEREICH 10 VERKEHRSWESEN UND ANGEWANDTE MECHANIK Institut für Straßen- und Schienenverkehr Fachgebiet Schienenfahrzeuge Prof. Dr.-Ing. Markus Hecht Tel.: +49 (0)30 314 25150 Fax: +49 (0)30 314 22529 e-mail: [email protected]Bericht Nr. 7/99 Ortung Funk Betriebsleit- zentrale Bussystem Sensoren ohne Auswerteeinheit Sensoren mit integrierter Auswerteeinheit Telematik-Box Provider DB offene Schnittstelle EU-weit spezifizierte Schnittstelle Kunde Diagnose- und Telematikkonzepte für den Schienengüterverkehr Bearbeitet von: Prof. Dr.-Ing. Markus Hecht Dipl.-Ing. Marcus Janik Dipl.-Ing. Thomas Rieckenberg Dipl.-Ing. Dorothea Salz Berlin im Juni 1999
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Technische Universität Berlin
TU Berlin FG Schienenfahrzeuge Sekr. SG 14 Salzufer 17-19, D-10587 Berlin
FACHBEREICH 10 VERKEHRSWESEN UND ANGEWANDTE MECHANIK
Diagnose- und Telematikkonzepte für den Schienengüterverkehr
Bearbeitet von: Prof. Dr.-Ing. Markus Hecht Dipl.-Ing. Marcus Janik Dipl.-Ing. Thomas Rieckenberg Dipl.-Ing. Dorothea Salz
Berlin im Juni 1999
Diagnose- und Telematikkonzepte für den Schienengüterverkehr
1 AUFGABENSTELLUNG 6
2 KURZZUSAMMENFASSUNG 6
3 GRÜNDE FÜR DEN EINSATZ UND ANFORDERUNGEN AN TELEMATIKSYSTEME FÜR DEN SCHIENENGÜTERVERKEHR 8
3.1 Motivation......................................................................................................... 8 3.2 Kurzbeschreibung des zu konzipierenden Telematiksystems .......................... 9 3.3 Grundsätzliche Anforderungen an ein Telematiksystem .................................. 9 3.4 Optimierungshilfsmittel Fehler-Möglichkeits- und Einfluß-Analyse (FMEA).... 10 3.4.1 Einleitung ................................................................................................... 10 3.4.2 Die Fehler-Möglichkeits- und Einfluß-Analyse als Hilfsmittel für die
Erstellung eines Diagnosekonzeptes für den Gefahrguttransport auf der Schiene ...................................................................................................... 11
9.1 Allgemeines.................................................................................................... 96 9.2 Kommunikation Fahrzeug - Infrastruktur ........................................................ 97 9.2.1 Optisches / Akustisches Signal .................................................................. 97 9.2.2 Terrestrische Funksysteme........................................................................ 98 9.2.3 Satellitenkommunikation .......................................................................... 103 9.2.4 Punktförmige Übertragungssysteme ........................................................ 104 9.2.5 Linienförmige Übertragungssysteme........................................................ 104 9.3 Übertragungssysteme für die Kommunikation innerhalb eines Zuges.......... 104 9.3.1 Zugbus mit durchgehender Datenleitung ................................................. 105 9.3.2 Alarmpulsationsventil ............................................................................... 105 9.3.3 Zugbus mit Funkverbindung..................................................................... 106 9.3.4 Kommunikation über ortsfeste Anlagen ................................................... 107
10 ALARMIERUNGSKONZEPTE 108
10.1 Allgemein ..................................................................................................... 108 10.2 Stufung der Prioritäten von Fehlern.............................................................. 108 10.3 Randbedingungen der Alarmierung.............................................................. 109 10.4 Derzeitiges Alarmierungskonzept bei Bahnen.............................................. 111 10.5 Vor- und Nachteile möglicher Alarmierungsformen ...................................... 114
5
10.5.1 Direkter Eingriff des Telematik-Wagens in den Betrieb............................ 114 10.5.2 Alarmierung durch Warnlampen, Sirene usw........................................... 115 10.5.3 Gefahrgutwagen meldet an Triebfahrzeugführer...................................... 116 10.5.4 Gefahrgutwagen meldet an den Fahrdienstleiter bzw. an die
Betriebsleitzentrale................................................................................... 116 10.5.5 Grundsätzliche Probleme einer direkten Kommunikation zwischen
Telematik - Wagen und anderen Teilnehmern des Systems Bahn .......... 117 10.6 Alarmierungskonzepte.................................................................................. 118 10.6.1 Ein einfaches Konzept zur Alarmierung "Telematik Now" ........................ 118 10.6.2 Telematik mit Alarmierungszentrale ......................................................... 120 10.7 Standardisierung von Schnittstellen ............................................................. 124
11 SYNERGIEEFFEKTE 125
11.1 Allgemein ..................................................................................................... 125 11.2 Kurzfristig realisierbare Telematik - Anwendungen ...................................... 129 11.2.1 Ortung für logistische Disposition............................................................. 129 11.2.2 Fahrzeugwartung ..................................................................................... 132 11.2.3 Schutz vor Diebstahl ................................................................................ 134 11.2.4 Überwachung von Belastungen der Ladung während der Fahrt .............. 136 11.2.5 Nutzung zur Tarifgestaltung .................................................................... 139 11.2.6 Automatisierte Be- und Endladung........................................................... 141 11.2.7 Messungen für die Oberbauunterhaltung................................................. 142 11.3 Langfristig zu verwirklichende Telematikanwendungen ............................... 143 11.3.1 Automatisierung der Zugbildung .............................................................. 143 11.3.2 Kommunikation für elektrisch gesteuerte Bremse und Mehrfachtraktion . 146 11.3.3 Zugschlußmeldung, Zugvollständigkeitsmeldung..................................... 147 11.4 Empfehlungen zu Synergieeffekten.............................................................. 148 11.5 Synergieeffekte zwischen Telematik beim Schienengüterverkehr und beim
Diagnose- und Telematikkonzepte für den Schienengüterverkehr
1 Aufgabenstellung Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Wege und Instrumentarien aufzuzeigen, um den Wa-rentransport, insbesondere von Gefahrgütern, sicherer durchführen zu können. Zu die-sem Zweck sollen sicherheitsrelevante Bereiche des Laufwerks und der Transportgefäße dauerhaft und zuverlässig während der Fahrt überwacht und ggf. eine Meldung an eine geeignete Stelle mittels Datenkommunikation übergeben werden. Zusätzlich soll die Diagnose- und Telematikeinrichtung Daten für eine zustandsbezogene Instandhaltung liefern, um die Verfügbarkeit und damit die Wirtschaftlichkeit des Schie-nengüterverkehrs zu erhöhen. Außerdem soll die zu entwickelnde Diagnosetechnik zur Verbesserung des statistischen Materials der Ladegutbeanspruchung und damit der Weiterentwicklung der Verpackun-gen dienen. Dazu soll die Telematikeinrichtung während der Fahrt in der Lage sein, die Belastungen, die auftreten, zu erfassen und zu speichern.
2 Kurzzusammenfassung Die telematikgestützte Diagnose wird als geeignetes Mittel zur Optimierung des heutigen Schienengüterverkehrs insbesondere für den Bereich des Gefahrguttransports angese-hen. Um einer effizienten Einführung der Diagnose in den Schienengüterverkehr den Weg zu bereiten, müssen verschiedene Randbedingungen erfüllt werden. Die telematikgestützte Diagnose basiert auf dem Konzept des autarken Güterwagens. Die Diagnose- und Rechnerstruktur soll als offenes und erweiterungsfähiges System aufgebaut sein, damit eine rasche Anpassung an sich wechselnde Anforderungen und an den sich schnell ändernden Markt ermöglicht wird. Der autarke Wagen liefert seine In-formationen entweder direkt zur Lok oder erreicht über eine aufzubauende Providerzent-rale und die Betriebsleitung die Lok. Der wichtigste Baustein für die Umsetzung dieses Konzepts ist der Aufbau eines europaweiten Datenkommunikationsnetzes mit einer Pro-viderzentrale als zentraler Stelle, an der die Informationsverknüpfung erfolgt. Als autarke Systemlösung kann dieses Konzept ab dem ersten Wagen nutzbringend ein-gesetzt werden. Dies findet eine schnellere Verbreitung als Systeme, die große Vorabin-vestitionen in eine große Fahrzeugflotte und die komplette Ausstattung ganzer Züge er-fordern. Weiterhin können die Fahrzeuge von den Betreibern mit den von ihnen ge-wünschten Nutzen und zu einem selbstbestimmten Zeitpunkt ausgestattet werden.
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Um ein effizientes Diagnosesystem für den Gefahrguttransport einzuführen, wurden mit-tels einer Fehler-Möglichkeits- und Einflußanalyse (FMEA) die Ausfälle und deren Aus-maß und Bedeutung abgeschätzt. Mittels einer FMEA ist die Quantifizierung des Nutzens einer Verbesserung der Sicherheit durch frühzeitiges Erkennen einer möglichen Scha-densentwicklung mittels Diagnosetechnik möglich. Ein Bedarf an Diagnose besteht im Schienengüterverkehr für die Bereiche Ladegutüber-wachung, Fahrdynamik und Bremstechnik. Im Bereich der Ladegutüberwachung bietet sich insbesondere die Überwachung des Drucks, der Temperatur, der Transportbean-spruchungen und seitlicher Ladegutverschiebungen an. Im Bereich der Fahrdynamik können eine Vielzahl von Parametern detektiert werden, die wichtigsten Parameter sind die Entgleisung, Radlagerschäden und Federbruch. Um die Funktion der Bremsanlage zu überwachen, kann u.a. der Druck am Bremszylinder erfaßt werden. Mittels dessen zeitlichen Druckverlaufs lassen sich auch Aussagen zu Wartungsfragen treffen. Weiterhin kann über einen Verschleißdetektor in den Bremsbelägen und über eine Wegmessung im Bremsgestänge das Bremsgeschehen überprüft werden. Viele der aufgeführten Diag-nosehilfsmittel können durch Speicherung der gesammelten Daten wertvolle Hinweise für die Instandhaltung liefern. Damit das Telematiksystem auf die erfaßten Fehlzustände und Gefahren angemessen reagieren kann, müssen sinnvolle Alarmierungswege festgelegt werden. Es ergeben sich im wesentlichen zwei Alarmierungsstrategien. Zum einen kann der Lokführer von dem Gefahrgutwagen über einen Zugbus oder ein sogenanntes Pulsationsbremsventil alar-miert werden. Er kann den Zug dann gegebenenfalls zum Stehen bringen und die Infor-mation über Zugfunk weiterleiten. Als künftiger Alarmierungsweg wird die Weiterleitung der Information vom autarken Wagen mittels Funk zu einer Alarmierungszentrale ange-sehen. Die Alarmierungszentrale dient der Informationsverknüpfung von für den aktuellen Vorfall wichtigen Daten und der Datenweiterleitung zu den zuständigen Stellen. Telematiksysteme können neben dem Aspekt der Erhöhung der Sicherheit auch für viel-fältige weitere Anwendungsbereiche eingesetzt werden. Sowohl für den Bereich der La-dungsverfolgung als auch für den Bereich der Instandhaltung werden große Synergieef-fekte durch Nutzung von Telematiksystemen gesehen.
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3 Gründe für den Einsatz und Anforderungen an Telematik-systeme für den Schienengüterverkehr
3.1 Motivation Im Bereich des Schienengüterverkehr und insbesondere im Gefahrgut-Gütertransport gibt es schwerpunktmäßig zwei Ansatzmöglichkeiten um den Gütertransport sicherer und zuverlässiger zu gestalten. Zum einen bleiben Ladegutveränderungen und Überladungen /1/ während des Trans-ports auf der Schiene sich selbst überlassen, so daß eine eventuelle Tendenz zur Aus-prägung eines gefährlichen Zustands unerkannt bleibt, bis deren Auswirkung so deutlich ist, daß meist ein Schadensfall eingetreten ist. Dies zeigen auch die Unfälle mit Tankwa-gen der vergangenen Jahre und insbesondere der in einem späteren Kapitel ausführli-cher beleuchtete Unfall in Marl im Jahr 1997. Zum anderen wird mit der Eisenbahn jährlich eine große Menge an Transportgütern be-fördert, die entweder ungefährlich für die Allgemeinheit sind oder Gefahrstoffcharakter besitzen. Allerdings ist die dem Transportvorgang zugrundeliegende Technik, mit Aus-nahme von Detailverbesserungen, mehrere Jahrzehnte alt. Eine durchgreifende Moder-nisierung hat nicht stattgefunden, eine Überwachung der Fahrzeuge außerhalb der Revi-sionen (alle 6 bzw. bei Kesselwagen alle 4 Jahre) findet nicht statt. Statt dessen wird ein Wagen außerhalb dieser Fristen nur im Schadensfall repariert. Allerdings gibt es an Güterwagen mehrere Bereiche, in denen der Einsatz von Diagnose-technik Unfällen vorbeugen kann und mehrere Bereiche, in denen die Wartung mit Hilfe der Diagnosedaten zustandsabhängig geplant werden kann. Als wichtiger Bereich ist der Bereich der Bremstechnik zu nennen, da hier eine Überwa-chung des Funktionierens der Bremsanlage und eine dauerhafte Überwachung der Bremsanlage mit geringem Aufwand einen hohen Sicherheitsgewinn ermöglicht. Zusätz-lich kann mit Hilfe der automatischen Bremsprobe viel Zeit gespart, ein deutlicher Sicher-heitsgewinn durch den Wegfall des Faktors Mensch in der Zustandsbeurteilung der Bremsanlage und eine erhöhte zeitliche Verfügbarkeit erreicht werden. Ein weiterer Bereich, in dem die Diagnostik eingesetzt werden sollte, ist die Überwa-chung von Entgleisungen, da diese heute von einem Lokomotivführer nicht bemerkt wer-den kann. Statt dessen muß auf die Entdeckung durch außenstehende Personen gehofft werden.
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Auch der Bereich der Überwachung der Lauftechnik (Beginn einer Entgleisung, Radla-gertemperaturüberwachung, Federbruchüberwachung, Radfehler /2/, etc.) trägt in hohem Maß dazu bei, das Fahren eines Zuges sicherer zu machen und seine Verfügbarkeit und damit seinen Anteil am Unternehmensgewinn zu erhöhen.
3.2 Kurzbeschreibung des zu konzipierenden Telematiksystems Das Telematiksystem, das im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, benötigt zur Erfül-lung seiner Aufgaben eine angepaßte und bahnfeste sowie langlebige und wartungsarme Sensorik, bei der nach Möglichkeit aus einem Meßwert durch Bildung von Korrelations-funktionen weitere Informationen gewonnen werden können. Im Bereich der autarken, d.h. frei in Zugverbände einstellbare, Güterwagen existiert zum heutigen Zeitpunkt als einzige durchgehende Leitung die Druckluftleitung der Bremsan-lage; dies wird sich auch auf absehbare Zeit nicht ändern. Da ein Telematiksystem jedoch auf elektrischen Strom angewiesen ist, ist die Bereitstel-lung ausreichender elektrischer Leistung notwendig. Weiterhin ist die Sammlung von Sensordaten alleine nicht ausreichend; es muß für eine adäquate Datenverarbeitung und Datenweiterleitung an eine geeignete Stelle gesorgt werden. Als wichtigster Aspekt ist hervorzuheben, daß der Besitz von Zustandsinformationen des Laufwerks, des Wagens oder seiner Ladung alleine nicht ausreichend ist, um die Sicher-heit und die Verfügbarkeit eines Wagens zu erhöhen. An die Stufe des Besitzes der Da-ten muß sich eine Stufe des Eingriffs in den Betriebsablauf anschließen, in der geeignete Maßnahmen ergriffen werden.
3.3 Grundsätzliche Anforderungen an ein Telematiksystem Um die Einsatzmöglichkeiten der Gefahrgut-Güterwagen möglichst universell zu halten, soll im Rahmen dieser Untersuchung keine „Insellösung“, sondern eine in betriebliche und ökonomische Rahmenbedingungen passende Anwendung entwickelt werden. Da derzeit in erster Linie die Diagnose spezieller lauftechnischer Parameter und die Ü-berwachung bzw. Bestimmung der Belastung der Wagenladung beabsichtigt ist, ist die Entwicklung einer speziell auf diese Bedürfnisse abgestimmten Diagnostik für eine künf-tige Weiterentwicklung nicht empfehlenswert.
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Daher ist das Konzept so gestaltet, daß bei Änderung der Anforderungen an das Diag-nosesystem dieses soft- und hardwareseitig ergänzt oder geändert werden kann. In diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden, daß dies v.a. durch eine mo-dulare Rechner- und Anschlußarchitektur erreicht werden kann. Da sicherheitsrelevante Meßwerte erfaßt und ausgewertet werden sollen, ist besonderes Augenmerk auf die Ausfallsicherheit der verwendeten Komponenten und eine geeignete Logik, die ggf. System(-teil-)ausfälle erkennt, zu legen, um unnötige betriebliche Eingriffe zu vermeiden, aber in Gefahrensituationen eingreifen zu können. Zu diesem Zweck ist die Meß- und Auswertungskette so zu gestalten, daß eine hinreichend oft durchgeführte Eigendiagnose berücksichtigt wird und bei Fehlfunktionen ein sicherer Betriebszustand eingenommen wird. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die Informationsweiterleitung und die Fehler-behandlung. Dazu werden im Rahmen dieser Studie in Kapitel 6.7 verschiedene Ansätze aufgezeigt und geeignete mit Ihren Konsequenzen dargestellt. Entscheidende Anforderungen an ein geeignetes Diagnosesystem sind daher u.a. • Gewährleistung der Bahnfestigkeit (Schwingungs- und Stoßunempfindlichkeit) • Hinreichende Betriebsfestigkeit gegenüber Witterungseinflüssen (Einsatzbereich von
–20 bis 40°C) • Wartungsfreiheit bzw. –armut • Geringer Stromverbrauch und Wiederaufladbarkeit bzw. Verlängerung der Stromver-
sorgung • Geeignetes Betriebs- und Betreiberkonzept zur Datenaufbereitung und zur Steuerung
eventueller Eingriffe in den Betriebsablauf. • Offener Systemstandard zur Erweiterung und Individualisierung der Datenerfassung, -
auswertung und Datenweiterleitung • Geringe Zusatzkosten des Systems incl. Life-cycle-costs
3.4 Optimierungshilfsmittel Fehler-Möglichkeits- und Einfluß-Analyse (FMEA)
3.4.1 Einleitung Der Einsatz einer telematikgestützten Diagnose für den Gefahrguttransport auf der Schiene hat als Ziel die Optimierung des bestehenden Gefahrguttransports im Schienen-güterverkehr im Hinblick auf • Transportleistungen, • Transportbeanspruchungen,
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• Ladegutzustände, • Sicherheitsaspekte • und nicht zuletzt bezogen auf verbesserte Wartung und Instandhaltung. Entscheidend für den Gefahrguttransport auf der Schiene ist insbesondere, daß das Si-cherheitsniveau kontinuierlich verbessert wird bzw. auch bei Neuerungen mindestens auf dem bestehenden Stand bleibt. Um dies zu gewährleisten muß sowohl die bestehende Technik als auch denkbare Neuerungen auf sicherheitsrelevante Fragestellungen hin begutachtet werden. Nur aufgrund einer solchen Bewertung können Entscheidungen ü-ber sinnvolle Maßnahmen getroffen werden. Insbesondere im Schienengüterverkehr be-steht eine Tendenz dazu, daß Neuerungen vermieden werden, um mögliche negative Folgen für den Betrieb zu vermeiden. Sicherlich können Innovation dazu führen, daß die Sicherheit beeinträchtigt wird. Dies sollte allerdings nicht dazu führen, daß Innovationen aufgrund von schlecht abschätzbaren Auswirkungen auf die Sicherheit im Eisenbahnver-kehr unterbleiben. Es muß statt dessen ein Weg gefunden werden, die Auswirkungen und das Risikopotential neu einzuführender Maßnahmen abzuschätzen. Bewertungs- und Entscheidungsgrundlage für Verbesserungen ist zumeist das neben-einander bestehende Expertenwissen. Jeder Einzelne urteilt auf der Grundlage des ei-genen Erfahrungshorizontes und hat die seiner Meinung nach wichtigsten Maßnahmen schon im Kopf. Dies führt häufig zu einer Konkurrenzsituation in der einzelne Maßnah-men nebeneinander stehen und durchgesetzt werden sollen. Dadurch bestehen nur ge-ringe Chancen, daß die optimalen Verbesserungsmöglichkeiten erzielt werden. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, daß die sinnvollsten Maßnahmen erkannt und durchge-führt werden, sollten gemeinsame Entscheidungen auf der Basis einer systematische Systembetrachtung getroffen werden. Die Erfahrungen werden gesammelt und in einem geordneten Schema besteht die Möglichkeit der gemeinsamen Bewertung einzelner Maßnahmen und der Definition der wichtigsten Ansatzpunkte für eine Verbesserung des Gesamtsystems. Diese Basis kann eine Fehler-Möglichkeits- und Einflußanalyse liefern. Sie dient als Diskussions- und Bewertungsgrundlage mittels derer differenzierte Prob-lemstellungen analysiert und verschiedene Ansätze für Verbesserungen gefunden wer-den können.
3.4.2 Die Fehler-Möglichkeits- und Einfluß-Analyse als Hilfsmittel für die Erstel-lung eines Diagnosekonzeptes für den Gefahrguttransport auf der Schie-ne
Um das Ziel die Optimierung des bestehenden Gefahrguttransports im Schienengüter-verkehr zu erreichen, bedarf es, wie oben ausgeführt wurde, einer systematischen Be-
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trachtung des Systems Gefahrgut-Güterwagen. Damit wird die Basis für die Festlegung sinnvoller Diagnoseeinrichtungen geschaffen. Die FMEA ist ein Mittel, das eine systematische Betrachtung des Systems ermöglicht. Dieses systematische Vorgehen unterstützt eine umfassende Betrachtung der Funktio-nen, die durch das System gewährleistet werden müssen. Das Wissen über das System wird zusammengetragen und übersichtlich dargestellt. So wird eine gute Grundlage für die Festlegung wichtiger Diagnoseparameter erarbeitet. Im Gefahrguttransport müssen sehr hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Sicherheit des Transportsystems gestellt werden. Diese lassen sich nur über eine Unter-suchungen der Art und Auswirkungen von Ausfällen des Systems verwirklichen. Die FMEA besteht in der systematischen Untersuchung der möglichen Ausfälle eines Sys-tems bezogen auf die Auswirkungen auf die Funktionstüchtigkeit und die Sicherheit der betreffenden Elemente und der von diesen beeinflußten Elemente. Manche Ausfälle sind gefährlich und können zu Unfällen führen, und damit die Sicherheit gefährden. Während andere Ausfälle keine Gefährdung darstellen, aber zu einer Betriebsunterbrechung füh-ren können, und damit die Zuverlässigkeit des Systems leidet. Die FMEA ist eine Analyse der Art und Auswirkung von Ausfällen. Ziel einer FMEA ist das Auffinden aller möglichen Gefahren und die Analyse der Vorkehrungen zur Beseitigung bzw. Milderung ihrer Aus-wirkung oder der Reduktion der Auftretenswahrscheinlichkeiten. Nur die Kenntnis mögli-cher Ausfälle und deren Ausmaß und Bedeutung für das System ermöglicht eine Opti-mierung des vorhandenen Systems bezüglich der Ausfallarten. Mittels der FMEA wird es ermöglicht, anstelle einer Reaktion auf Fehlzustände und deren Beseitigung über eine Vorhersage von möglichen Fehlzuständen, diese zu vermeiden. Die Sicherheit, das heißt die Eigenschaft einer Betrachtungseinheit, weder Menschen, Sachen noch Umwelt zu gefährden, kann unter zwei Aspekten betrachtet werden. Zum einen unter dem Aspekt, ob die Betrachtungseinheit korrekt funktioniert und korrekt be-trieben wird, dies wird durch Unfallverhütung abgedeckt, und ist oftmals durch gesetzli-che Vorschriften geregelt. Oder unter dem Aspekt, ob eine Betrachtungseinheit oder ein Teil ausgefallen ist, dies ist Gegenstand der technischen Sicherheit. In der vorliegenden Untersuchung wird die technische Sicherheit betrachtet. Zusammenfassend kann gesagt werden, die FMEA liefert • eine systematische Betrachtung des Systems und • eine Analyse der Art und Auswirkung von Ausfällen, mittels derer das System bezüglich möglicher und notwendiger Diagnose bewertet wer-den kann.
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Im folgenden wird das konkrete Vorgehen der System-FMEA beschrieben. Das in der vorliegenden Studie durchgeführte grundlegende Vorgehen der FMEA läßt sich in acht Schritten beschreiben: 1. Schritt: Unterteilung des Systems in Betrachtungseinheiten 2. Schritt: Festlegung der Funktionen der einzelnen Betrachtungseinheiten 3. Schritt: Bewertung der Bedeutung der einzelnen Funktionen 4. Schritt: Ermittlung von Fehlfunktionen zu den einzelnen Funktionen 5. Schritt: Beschreibung und Bewertung von Entdeckungsmöglichkeiten zu den
Fehlfunktionen 6. Schritt: Beschreibung der Fehlerauswirkung auf Systemebene 7. Schritt: Bewertung der Schwere des Systemausfalls 8. Schritt: Ermittlung sicherheitstechnischer Maßnahmen, die die Schwere des
Systemausfalls reduzieren Am Anfang der Systembetrachtung steht die Festlegung der Funktionen, die durch das System Gefahrgut-Güterwagen erfüllt werden sollen, den sogenannten Überfunktionen. Die Wichtigkeit der Überfunktionen wird festgelegt, um darauf aufbauend die Funktionen der einzelnen Subsysteme oder Komponenten nach ihrer Bedeutung zu sortieren. Daran anschließend wird das System in die einzelnen Subsysteme bzw. Komponenten, die als Betrachtungseinheiten bezeichnet werden, unterteilt. Den einzelnen Betrachtungseinhei-ten werden die auszuführenden Funktionen zugeordnet. Zu den Funktionen werden die möglichen Ausfallarten (Fehler oder Fehlfunktionen) und deren Entdeckungswahrscheinlichkeiten bestimmt. Weiterhin werden zu den einzelnen Ausfallarten die Auswirkungen auf das System untersucht und daran anschließend die Schwere der Auswirkung bestimmt. Bewertet werden die Entdeckungsmöglichkeiten der Fehler (E) und die Schwere des Sy-stemausfalls (S) zahlenmäßig innerhalb einer Bewertungsskala von eins bis zehn. Das Produkt dieser Einzelfaktoren liefert Auskünfte über die Relevanz des betrachteten Vor-falls. Somit können die bedeutsamsten Vorfälle erkannt werden und darüber kann die Notwendigkeit von Diagnoseeinrichtungen bestimmt werden. Die FMEA liefert keine quantitative Aussage über Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems. Da auf der Basis des vorliegenden Datenmaterials keine ausreichende Bewertung der Auftretenswahrscheinlichkeiten einzelner Ausfälle für das Gesamtsystem möglich war, wurde auf die Einbeziehung der Auftretenswahrscheinlichkeiten und abschließende Be-wertung der einzelnen Ausfälle über die sogenannte Risikoprioritätszahl verzichtet. Die Risikoprioritätszahl beinhaltet neben Entdeckung und Schwere auch die Auftretenswahr-scheinlichkeit des Fehlers. Für das verfolgte Ziel der Festlegung potentiell bedeutsamer
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Ausfälle wird die Bewertung der Entdeckungsmöglichkeiten und der Schwere des Sys-temausfalls als ausreichend angesehen. Denkbare Diagnoseeinrichtungen können für den Bereich der Fehlerentdeckung einge-setzt werden, und die Entdeckungsmöglichkeiten verbessern. Da die Diagnose zu erhöh-ten Entdeckungswahrscheinlichkeiten führt, können mittels einer Betrachtung der FMEA mit und ohne Diagnoseeinrichtungen die Systemverbesserung durch die Diagnoseein-richtung abgeschätzt werden. Zur Bewertung eingebauter Prüfungen kann vorteilhafterweise die FMEA angewandt werden. Unterschieden werden kann dabei zwischen Zustandsprüfung und Betriebs-überwachung. Als Zustandsprüfungen kommen sowohl grobe Zustandsprüfungen, soge-nannte Quicktests in Frage als auch vollständige Funktionsüberprüfung. Sie bieten den Vorteil einer relativ raschen Kontrolle, sind allerdings auf die Ausfall-Lokalisierung be-schränkt. Eine Betriebsüberwachung beinhaltet die Überwachung der Hauptfunktionen und Anzeige überkritischer sowie der Vollausfälle und wichtigsten Teilausfälle. Sie läuft mittels eingeführter Mittel (Hard- und Software) automatisch im Hintergrund ab und ist aufwendig. Erst nachdem ein Fehler entdeckt wurde, besteht die Möglichkeit die Schwere der Feh-lerauswirkung zu verringern und das Auftreten des Fehlers zu vermeiden. Darauf auf-bauend können Maßnahmen gefunden werden, daß, wenn etwas ausgefallen ist, das System in einen sicheren (fail-safe) Zustand gebracht werden kann. Weiterhin können Maßnahmen bestimmt werden, um ganz allgemein die Anzahl der Ausfälle zu vermin-dern. Da es sich beim Gefahrguttransport um ein äußerst komplexes System handelt, kann in dem vorgegebenen Zeitrahmen nur eine Grobanalyse und Bestimmung potentieller Prob-leme durchgeführt werden. Eine detaillierte Betrachtung des Gesamtsystems ist nicht möglich, sollte aber für eine weitere Verbesserung des Gefahrguttransports auf der Schiene angestrebt werden. Dabei sollten unter anderem die Regeln der Qualitäts- und Zuverlässigkeitssicherungen beachtet werden, daß durch alle Bereiche in enger Koope-ration der beteiligten Experten nach der Devise „So gut wie nötig“ das Gesamtsystem be-trachtet wird. Die Fehler-Möglichkeits- und Einflußanalyse wurde mittels der sogenannten Matrix-FMEA durchgeführt. Zur Veranschaulichung ist das Vorgehen in der Matrix-FMEA mit den methodischen Fragestellungen in Bild 1 beispielhaft dargestellt. Sie bietet eine gra-phische Unterstützung des methodischen Vorgehens der FMEA mittels einer Software an, die auf der Tabellenkalkulation Excel aufbaut.
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6Sicherheits- Maßnahmen
Schwere der Auswirkung
"S"S x E
1
Komponen-ten
2Welche
Funktionen müssen erfüllt
werden?
8Fehler-
vermeidende Prinzipien
Auftretens-wahrschein-lichkeit "A"
4 Entdeckungs-
möglich-keiten
Entdeckung"E"
3
Potentielle Fehl-
funktionen
5
System-ausfälle
7Versagens-
arten
9Risikozahlen
Kompo-nenten
Konstruk-tion
Sicherheits-maßnahme
Fehl-funktion
Entd
ecku
ng im
Fel
d
Funk
tion
Syst
em-
ausf
all
Vers
agen
s-ar
t
Fehl-funktion
Bild 1: Methodisches Vorgehen innerhalb der Matrix-FMEA
In dieser Arbeit wurde die FMEA für die zwei Bereiche Kesselwagenaufbau und Fahr-werk des Kesselwagens durchgeführt. Die Ergebnisse und Schlußfolgerungen werden im Folgenden dargestellt.
3.4.3 Kesselwagenaufbau Für den Kesselwagenaufbau ergeben sich nach dem oben beschriebenen Vorgehen der System-FMEA als Wichtigste zu betrachtende Bereiche die Fehlfunktionen, die mit dem größten Produkt aus Entdeckungsmöglichkeit und Schwere des Systemausfalls (S x E) beurteilt wurden. Dies ergibt sich daraus, daß sowohl die Entdeckungsmöglichkeit (E) als auch die Schwere des Systemausfalls (S) mit Werten von eins bis zehn bewertet werden, wobei zehn jeweils der ungünstigste Wert ist. Im Fall der Entdeckung steht die Zehn da-für, daß es unmöglich oder unwahrscheinlich ist, daß der Fehler überhaupt oder rechtzei-tig vor der Fehlerauswirkung entdeckt wird. Für die Schwere (S) der Fehlerauswirkung steht die Zehn für einen äußerst schwerwiegenden Fehler, der zum Stehenbleiben führt oder möglicherweise die Sicherheit oder die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften beein-trächtigt. Das Produkt S x E kann somit in dem Wertebereich von eins bis einhundert lie-
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gen, wobei durch den Wert 100 der ungünstigste Fall einer unmöglichen bis unwahr-scheinlichen Entdeckung und einer äußerst schwerwiegenden Fehlerauswirkungen be-schrieben wird. Dies stellt dann ein sehr bedeutsames Ereignis dar. Die FMEA kann keine quantitativen Aussagen zu Sicherheit und Zuverlässigkeit bieten, aber sie ermöglicht einen qualitativen Vergleich der auftretenden Ausfälle. Für den Kes-selwagenaufbau wird ein Ausschnitt der durchgeführten FMEA in Bild 2 dargestellt. Zu erkennen ist der Aufbau der Matrix, angefangen wird bei den Betrachtungseinheiten (Un-tergestell, Behälter und Befüll- und Entleerungseinrichtung). Diesen werden die einzel-nen Funktionen zugeordnet, die sie zu erfüllen haben, die hier nur ausschnittweise dar-gestellt sind. Zu den einzelnen Funktionen werden die Fehlfunktionen bzw. Ausfälle ge-sucht, die die Funktionen beeinträchtigen können. Die drei Fehlfunktionen „Tank steht unter Überdruck“, „Im Tank herrscht Unterdruck“ und „Tank hat erhöhte Temperatur“ werden, da keine Entdeckungsmöglichkeiten für diese Parameter vorgeschrieben sind, mit E gleich zehn bewertet. Da die Fehlerauswirkungen dieser drei betrachteten Fehl-funktionen zu einem Totalausfall des Systems führen können, wurden die Ereignisse ins-gesamt mit einem Produkt aus S x E von 100 bewertet.
Bild 2: Bewertung möglicher Ausfälle beim Kesselwagenaufbau
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Etwa ein Drittel der betrachteten Ausfälle liegen mit dem Produkt (S x E) oberhalb von 89 (siehe Bild 3). Dazu zählen neben den drei schon betrachteten Fehlfunktionen, verschie-dene Arten von Undichtigkeiten des Behälters, die zu einem Gefahrgutverlust führen. Et-wa zwei Drittel der betrachteten Ausfälle werden mit S x E kleiner als 50 bewertet.
Bewertung der Ausfälle im Kesselwagenaufbaus mittels des Produktes S x E
S x E > 8933%
S x E: 50 bis 894%
S x E < 5063%
Bild 3: Bewertung der Ausfälle des Kesselwagenaufbaus
Beispielhaft wurde mittels der FMEA der Einfluß dreier Maßnahmen zusätzlich zu den heute gängigen Fehlerentdeckungsmöglichkeiten eines Fehlers ermittelt. Die drei zusätz-lich eingeführten Maßnahmen sind das Ermitteln des Drucks, der Temperatur und des Füllstandes im Behälter. Mit diesen drei Maßnahmen wird eine erhebliche Verbesserung erzielt (siehe Bild 4). Nach Einführung dieser Maßnahmen werden keine der beschriebe-nen Ausfälle mehr mit größer als 89 bewertet. Es werden nur noch zwanzig Prozent der Ausfälle mit einem Produkt von S x E oberhalb von 50 bewertet, wohingegen es vorher etwa ein Drittel waren.
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Bewertung der Ausfälle des Kesselwagenaufbaus mittels des Produktes S x E mit zusätzlicher
Diagnose
S x E > 890%
S x E: 50 bis 89
21%
S x E < 5079%
Bild 4: Bewertung des Kesselwagenaufbaus mit zusätzlicher Diagnose
Der erste Schritt, um die Ausfälle des Systems zu verringern, ist mit der erhöhten Entde-ckung der bedeutsamsten Ausfälle abgeschlossen. Aufbauend auf dem Wissen der ent-deckten Ausfälle kann im Anschluß darüber nachgedacht werden, welche sicherheits-technischen Maßnahmen für die bedeutsamsten Ausfälle eine weitere Verbesserung des Systems ermöglichen. Weiterhin ist es möglich, über verstärkte Maßnahmen zur Vermei-dung der Ursachen der Ausfälle das System zu verbessern. Als Ergebnisse für die Diagnose aus der Fehler-Möglichkeits- und Einflußanalyse kann festgehalten werden, daß Handlungsbedarf für eine verbesserte Diagnose insbesondere zu den Parametern Druck, Temperatur und Undichtigkeiten des Kesselwagens besteht. Die drei Fehlfunktionen „Tank steht unter Überdruck“, „Im Tank herrscht Unterdruck“ und „Tank hat erhöhte Temperatur“ führen nach der Bewertung in der FMEA zu den höchsten Bewertungen. Sie sollten über die Diagnose als erstes verbessert werden. Die Parame-ter Druck und Temperatur müssen bisher für Kesselwagen nicht kontrolliert werden und können zu den extremen Systemausfällen „Totalausfall des Systems“ durch z.B. Explosi-on, Unterdruck oder Brand führen. Da es einfache Diagnosemöglichkeiten für die Para-meter Druck und Temperatur im Kesselwagen gibt, ist es empfehlenswert, diese verstärkt einzuführen. Mit dieser Diagnose können die Entdeckungswahrscheinlichkeiten extrem verbessert werden. Nachdem die Fehlfunktion entdeckt ist, können über Folgemaßnah-men die Fehlerauswirkungen verringert werden. Ein zweiter Fehlfunktionenblock wurde mit S x E von 90 bewertet. Dies sind die Fehlfunk-tionen, wenn der Behälter nach Fahrtantritt durch Beschädigungen in der Behälterwan-dung undicht wird, oder sich Befüll- oder Entleerungsvorrichtungen während der Fahrt
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öffnen oder undicht werden. Um Undichtigkeiten des Behälters oder der Befüll- oder Ent-leerungsvorrichtungen zu entdecken, gibt es mehrere Maßnahmen. Eine Möglichkeit wä-re die Erfassung des Füllstandes, damit können Verluste entdeckt werden, die sowohl über Behälter als auch über Befüll- und Entleerungseinrichtungen entstehen. Allerdings ist die hinreichend genaue Bestimmung des Füllstandes während der Fahrt insbesondere bei geringen Verlusten nicht gegeben. Denkbar wäre auch eine Überprüfung der einzelnen Befüll- und Entleerungsvorrich-tungen auf Dichtheit. Hier kann keine endgültige Empfehlung gegeben werden. Da es insbesondere für die Beurteilung der Dichtheit der Ventile und des Behälters sinnvoll wä-re die Auftretenswahrscheinlichkeiten von Undichtigkeiten zu kennen. Die Auftretens-wahrscheinlichkeit für den sofortigen Ausfall von Druckventilen in der chemischen Indust-rie wird mit einem Durchschnittswert von 10 –6 pro Jahr angegeben /3/ [1]. Dies ist eine sehr niedrige Auftretenswahrscheinlichkeit, die zu der Annahme führt, daß sich der Auf-wand der Überprüfung der einzelnen Ventile auf Dichtheit bezogen auf den möglichen Nutzen nicht rechtfertigt. Ein Auftreten von Undichtigkeiten der Ventile durch Unfälle kann tritt insbesondere bei Entgleisungen auf. Ventile am Unterboden von Kesselwagen werden oft durch Entglei-sungen abrasiert /4/. Für diesen Fall wären statt einer dauerhaften Überprüfung der Dichtheit sicherheitstechnische Maßnahmen zu empfehlen, die die Schwere der Auswir-kung verringern. Dies könnten Gleitbleche sein, die die Ventile an der Unterseite schüt-zen, Abreißsicherungen, die den Produktstrom unterbrechen, oder die Ventile nicht an der Unterseite sondern an der Oberseite einzubauen.
3.4.4 Kesselwagen-Laufwerk Die durchgeführte Fehler-Möglichkeits- und Einflußanalyse des Laufwerks liefert eine erste Bewertungsgrundlage für die wichtigsten Ausfälle des Laufwerks. Die Hauptfunkti-onen des Laufwerks sind die „Zugeinheit sicher im Gleis führen“ und das „Ladegut sicher zu transportieren“. Um diese Funktionen sicher zu erfüllen muß eine Vielzahl von Fakto-ren und deren Zusammenspiel begutachtet werden. Die Funktionen der einzelnen Lauf-werkskomponenten und sowohl deren mögliche Fehlfunktionen als auch die Systemaus-wirkungen dieser Fehlfunktionen stehen oft in direktem Zusammenhang miteinander. Das komplexe Zusammenspiel der einzelnen Faktoren bedeutet, daß Fehlerauswirkun-gen auf diverse Ausfälle der Einzelkomponenten zurückzuführen sind. Ein Großteil der betrachteten Ausfälle kann möglicherweise zu einem der schwerwiegenden Ausfälle des Systems führen. Dadurch wird ein großer Block von sehr bedeutsamen Fehlerauswir-kungen auf das System erfaßt, unter anderem die erhöhten Entgleisungswahrscheinlich-keiten und der Ausfall der Bremse.
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Für das Laufwerk des Güterwagens gibt bisher kaum Möglichkeiten der Fehlerentde-ckung während der Fahrt. Es existieren drei Bereiche möglicher Entdeckungen: • Gleisfeste Ortungsanlagen von lauftechnischen Parametern • Bemerken von Auffälligkeiten am Fahrzeug durch Personen • Kontrollen vor Fahrtantritt. Gleisfeste Ortungsanlagen gibt es für die Feststellung von Heißläufern, festgestellte Bremsen, Flachstellen, Unwuchten und Radlasten. Grundsätzlich kann mit gleisfesten Anlagen nur eine punktuelle Erfassung der Parameter erfolgen, die je nach Häufigkeit der Einrichtungen zu einer erhöhten Erfassung der gemessenen Parameter führt. Für die Flachstellen- und Unwuchtortung und für die Radlastwaage sind bisher kaum Anlagen verbreitet, so daß bisher keine ausreichende Ausfalldiagnose möglich ist. In der Schweiz gibt es diese Ortungsanlagen an exponierten Stellen und in Deutschland ist bisher nur eine Anlage verwirklicht /5/. Heißläufer- und Festbremsortungsanlagen sind weit häufiger verbreitet. Im Netz der SBB existiert alle 60 km eine Ortungsanlage /6/. Im Netz der DB AG existieren 185 Anlagen, und die Aus- und Neubaustrecken erhalten standardmäßig Ortungsanlagen für Heißläu-fer und feste Bremsen /7/. Trotz laufender Netzverdichtung kann ein Heißläufer auch zwischen zwei Ortungsanlagen auftreten und ein Laufwerksschaden entstehen. Prob-lembereiche der Heißläufer und Festbremsortung sind die verschiedenen Arten von Achslagern und Bremssystemen und deren unterschiedliche Einbaulage. Bei bestimmten Drehgestellen können Heißläuferortungsanlagen schlecht messen zum Beispiel bei der Bauart Y 25 /8/. Dies führt insbesondere für den Güterwagenverkehr dazu, daß Heißläu-fer nicht detektiert werden, da das Drehgestell Y 25 im Güterwagenverkehr und auch im Gefahrguttransport sehr verbreitet ist. Auffälligkeiten am Fahrzeug durch andere Personen können dann entdeckt werden, wenn es sich um optisch oder akustisch wahrnehmbare Merkmale handelt. Dies könnte zum Beispiel der Fall sein bei Dampf- oder Rauchentwicklung, gebrochenen Rädern, Achsbruch oder aufgetretener Entgleisung. Als wahrnehmende Personen kommen der Lokführer des eigenen Zuges, ein entgegenkommender Lokführer, Streckenpersonal o-der Personen in Gleis- und Bahnhofsnähe in Betracht. Insgesamt wird diese Art der Ent-deckung als theoretisch möglich aber unwahrscheinlich eingestuft. Es können nur wenige und sehr gravierende Ausfälle entdeckt werden. Eine mögliche Verbesserung der Entdeckung durch Personen wäre nicht bemerkbare Parameter nach der Detektion und z.B. Überschreitung eines Grenzwertes durch opti-sche oder akustische Warnsignale am Wagen zu verdeutlichen. Somit könnte die Entde-
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ckungswahrscheinlichkeit insbesondere durch entgegenkommende Triebfahrzeugführer erhöht werden. Bei Kontrollen vor Fahrtantritt können der Natur der Sache nach keine Mängel entdeckt werden, die während der Fahrt auftreten. Dennoch wurde die Bremsprobe, die vor der Fahrt durchgeführt, mit in die Bewertung aufgenommen, da sie erhebliche Bedeutung für den Betrieb des Fahrzeugs hat. Mit den bisher vorhandenen Entdeckungsmöglichkeiten kann nur ein kleiner Anteil der möglichen auftretenden Ausfälle detektiert werden, und dies wie beschrieben oftmals in unbefriedigender Weise. Daraus ergibt sich, daß zum heutigen Zeitpunkt die Entde-ckungsmöglichkeiten von Ausfällen im Laufwerk als sehr schlecht bewertet werden müs-sen. Die Kombination aus wenig Entdeckungsmöglichkeiten und schwerwiegenden Feh-lerauswirkungen führt zu einer sehr hohen Anzahl sehr bedeutsamer Ereignisse. Etwa sechzig Prozent der betrachteten Ausfälle wurden mit Produkten aus S x E von größer als 89 begutachtet und nur drei Prozent liegen unterhalb von 50 (siehe Bild 5).
Bewertung der Ausfälle im Laufwerk des Kesselwagens mittels des Produktes S x E
S x E von 50 bis 89
37%
S x E < 503%
S x E > 8960%
Bild 5: Bewertung der Ausfälle des Kesselwagenlaufwerks
Aufbauend auf den als bedeutsam eingestuften Ausfällen wurde ein Vielzahl von Diag-nosemöglichkeiten bewertet, die die Entdeckung dieser Ausfällen ermöglichen. Darunter fällt unter anderem die Überwachung der Federwege im Laufwerk, die Erfassung von Vertikal- und Querbeschleunigungen, die Temperaturmessung im Radlager, die Diagno-se der Bremseinrichung über Drucksensoren im Bremszylinder und die Erfassung der Zustandes der Bremsklötze auf Anliegen oder nicht. So konnte die Anzahl der Ausfälle
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mit Produkten von S x E größer als 89 von sechzig Prozent auf etwa ein Drittel der be-trachteten Ausfälle zurückgeschraubt werden. Der Anteil der Ausfälle unterhalb von fünf-zig lag vor den eingeführten Diagnosemöglichkeiten bei drei Prozent und nach der Be-wertung mit Diagnose bei etwa der Hälfte der betrachteten Ausfälle (siehe Bild 6).
Bewertung der Ausfälle im Laufwerk des Kesselwagens mittels des Produktes S x E bei
zusätzlicher Diagnose
S x E > 8930%
S x E: 50 bis 89
22%
S x E < 5048%
Bild 6: Bewertung der Ausfälle des Kesselwagenlaufwerks mit zusätzlicher Diag-nose
Die durchgeführte Fehler-Möglichkeits- und Einflußanalyse erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit. Eine vollständige FMEA für solch ein komplexes System wie einen Eisenbahnkesselwagen benötigt einen wesentlich längeren Durchführungszeitraum. Dies ist nur ein erster Ansatz, auf dem aufbauend weiter gearbeitet werden kann. Bei der Er-kennung und Beurteilung von Ausfällen und deren Auswirkungen und der Einbeziehung aller wesentlichen Einflußfaktoren handelt es sich um einen iterativen Prozeß. Dieser sollte so oft wiederholt werden bis er in einer für die Bahnanwendung ausreichenden Tiefe vorliegt. Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß mittels der Fehler-Möglichkeits- und Einflußanalyse ein Mittel zur Verfügung steht, mit dem erste Festlegungen für sinnvolle Diagnoseeinrichtungen getroffen werden können. Und mit der FMEA kann der Nutzen der Diagnoseeinrichtungen bewertet werden (siehe Bild 7) . Sie ist als eine Diskussions-grundlage für die weitere Arbeit auf dem Gebiet der Gefahrguttransporte in Kesselwagen anzusehen.
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Ausfälle Kesselwagenaufbau
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Ist-Zustand (ohneDiagnose)
zusätzlicheDiagnose
sehrbedeutsameAusfälle bedeutsameAusfälle
wenigerbedeutsameAusfälle
Ausfälle Kesselwagenlaufwerk
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Ist-Zustand (ohneD iagnose)
zusä tzlicheD iagnose
sehrbedeutsameAusfälle
bedeutsameAusfälle
wenigerbedeutsameAusfälle
Bild 7: Bewertung des Nutzens der Diagnose mittels der FMEA
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4 Stand der Technik
4.1 Schienenfahrzeuge In der Schienenfahrzeugbranche sind derzeit zwei unterschiedliche Trends in Hinblick auf den Einsatz von Telematik zu erkennen. Im Güterverkehr setzt sich der vom Lkw bekannte Trend auch in der Schienenfahrzeug-branche durch, über den Standort einer Ladung bzw. eines Wagens kontinuierlich in Kenntnis zu sein. Zu diesem Zweck werden stand-alone-Lösungen seitens der Spediteu-re am Ladegut bzw. am Einzelwagen montiert. Diese senden in festgelegten Intervallen bzw. auf Anfrage von außen (per GSM o.ä.) ihre Position (Ermittlung meistens mit Hilfe von GPS) an eine festgelegte Stelle. Da im Transportgeschäft zunehmend auch weiter-gehende Ladegutinformationen (z.B. Diebstahl o.ä.) interessant werden, werden dann die Ortungssysteme um diese Aspekte erweitert. Die gewonnenen Positionsdaten bieten den Betreibergesellschaften solcher Ortungssys-teme die Möglichkeit, die Informationen zu vermarkten und Kunden ggf. auch den Zu-stand ihrer Ladung zu übermitteln (monetärer Nutzen). Da im Güterverkehr, im Gegensatz zum Personenverkehr, fast ausschließlich frei kombi-nierbare Einzelwagen zu Zügen zusammengestellt werden, sind Diagnoselösungen, die auf einer durchgehenden Datenleitung basieren (sog. Bussysteme) nicht ohne weiteres realisierbar und daher nicht verbreitet. Die Fahrzeugidentifizierung findet dabei heute v.a. durch Menschen statt, deren Erfas-sungsfehler in der Größenordnung von ca. 4% liegen. Im Personenverkehr sind feste Zugeinheiten bzw. durch Züge gehende, genormte Daten-leitungen weit verbreitet. Trotzdem finden sich Diagnosesysteme nur bei modernen, neu gebauten Zugeinheiten (z.B. IC 2000 o.a.), die betrieblich als feste Komposition gehand-habt werden oder auf Lokomotiven. Ein wesentlicher Vorteil ist dabei die Homogenität der Züge, so daß keine Anpassung an die verschiedenen Laufwerks- und Wagentypen notwendig ist, sondern ein abgestimmtes, hochspezialisiertes System eingebaut werden kann. Trotzdem ist die Diagnose im Laufwerksbereich noch nicht in dem Maß realisiert, das zur Erhöhung der Sicherheit im Laufwerksbereich und zur Senkung der LCC’s durch voraus-schauende Instandhaltung wünschenswert wäre. Der Einsatz von Geräten zur Bestimmung der Position einzelner Wagen (GPS) bringt im Gegensatz zum Gütertransport keinen zusätzlichen Nutzen, da die Position des Zuges der Leitstelle bekannt ist und die Position des Ladegutes (in diesem Fall: Fahrgäste) kei-nen Nutzen für einen Versender hat (kein monetärer Zusatznutzen). Daher sind Ortungs-systeme im Personenverkehr nicht notwendig.
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Um die o.g. Aspekte durch praktische Anwendungen zu verdeutlichen, sind im folgenden Kapitel einige interessante Beispiele aus den Bereichen Personen- und Güterverkehr genannt und beschrieben.
4.1.1 Beispiele
4.1.1.1 Allgemein
Datenspeicher Das im folgenden etwas näher beschriebene Datenregistriergerät der Fa. Sécheron wird auf Fahrzeugen zur Steuerung verschiedenster Funktionen u.a. aber auch zur Daten-speicherung im Fall eines Unfalls analog des Unfall-Daten-Speichers im Kraftfahrzeugbe-reich eingesetzt. „Das Hasler TELOC 2200 ist ein (...) micorprozessorgesteuertes Geschwindigkeitsmess- und Datenregistriersystem für unterschiedliche Anwendungen auf Schienenfahrzeugen des öffentlichen Verkehrs. Das intelligente Betriebssystem des Hasler TELOC 2200 er-möglicht verschiedenste Funktionen in bezug auf Registrierung von Analog- und Digital-signalen, deren Echtzeitverarbeitung sowie Generierung von Steuersignalen für Periphe-riegeräte und Sicherheitseinrichtungen auf Fahrzeugen.“/9/
Die Ortung von Lokomotiven wird wie bisher durch die nationale Betriebsleittechnik ge-währleistet. In Zukunft ist dabei auch im Rah-men der Europäisierung des Zugverkehrs an den Einsatz des Zugbeeinflussungssystems ETCS (s. rechts /10/) gedacht, das aus einem modularen Bussystem besteht und über Schlei-fen und Balisen im Gleis sowie GSM mit den Leitstellen in Kontakt tritt .
Diagnose Auf Lokomotiven sind Diagnoseeinrichtungen v.a. der elektrischen Komponenten und der Zugsicherungstechnik bereits sehr weit verbrei-tet. Begünstigend dafür ist in erster Linie, daß vertraglich eine sehr hohe Verfügbarkeit ge-genüber dem Kunden seitens des Herstellers garantiert wird und damit Ausfälle vermieden werden müssen und zum anderen Lokomotiven ein überschaubares, geschlossenes System darstellen, für das relativ leicht ein Diagnose-system entwickelt werden konnte. Alle großen Systemhäuser verfügen heute über ein modular aufgebautes Computersys-tem, daß in der Lage ist, die technischen Einrichtungen einer Lokomotive oder eines Zu-ges zu überwachen. Zu diesem Zweck entstehen immer komplexere Bus-Architekturen, die derzeit mit 16- oder 32-Bit-Rechnern arbeiten. Stellvertretend für die anderen Lösungen sei hier auf das MITRAC-System der Fa. ADtranz verwiesen; dieses System arbeitet mit einer 32-Bit Technologie. Zur Kommunikation innerhalb eines Zuges wird das, nach IEC 61375 FDIS genormte, Train Communication Network System verwendet, das eine offene Schnittstelle für den Anschluß elektrischer Komponenten an das Kommunikationssystem der Leittechnik er-möglicht. Durch die verteilte Architektur ist MITRAC hochgradig dezentral, was die Vereinfachung der Montage, eine Verkürzung benötigter Kabelstränge, eine Erhöhung der Zuverlässig-keit, eine problemlose Integration bereits bestehender Komponenten und eine Vereinfa-chung der Wartung zur Folge hat. Sämtliche Diagnosewünsche lassen sich bei Bus-Architekturen durch Ankopplung geeig-neter Baugruppen realisieren (z.B. Prozessoren, Ein-/Ausgabeeinheiten, Anschluß-Boards für Fremdgeräte, Überwachungseinheiten).
Bild 9:ETCS-System
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Weiterhin sind Bus-Architekturen durch eine einfache Veränderung der zugrundeliegen-den Software an geänderte Diagnosewünsche relativ leicht anpaßbar.
4.1.1.3 Personenverkehr
Ortung Die Ortung von Personenzügen geschieht wie bisher durch die nationale Betriebsleit-technik der Lokomotive.
Diagnose Am Beispiel des ICE 1 sollen die Diagnosekonzepte der Triebköpfe und der Mittelwagen, soweit in der Literatur veröffentlicht, dargestellt werden. • Triebkopf
Die Diagnose der Triebköpfe beschränkt sich v.a. auf die Antriebs- und elektrische Bremstechnik. Diagnostiziert werden hierbei das Zugsteuergerät, das Antriebssteuer-gerät, die Bremssteuerung, der Gleitschutz und weitere Baugruppen /11/. Ausgewertet werden hierbei bereits vorhandene Sensorsignale, die ohnehin für Rege-lungsaufgaben eingebaut sind. Die auftretenden Fehler werden klassifiziert, gespei-chert und nach Priorität wird in den Fahrtablauf ggf. eingegriffen.
• Mittelwagen
Da in den Mittelwagen keine Antriebstechnik eingebaut ist, reduziert sich die Diagno-se auf die Steuerung der Klima-, Tür-, Brems- und Gleitschutztechnik sowie die Fahr-gastinformation und auf komfortrelevante Aspekte.
Ortung + Diagnose • System MobiLog (Krupp Timtec Telematik)
Hinter diesem System verbirgt sich ein autarker Rechner, der zur Fernüberwachung und Ferndiagnose sowie zur Fernsteuerung von Maschinen eingesetzt wird und auf dem System ComLog aufbaut. Dies enthält einen Kleinrechner mit GPS-Einheit und angeschlossenem Funkmodem zur Kommunikation. MobiLog stellt zusätzlich weitere Standardschnittstellen und weitere digitale und analoge Eingänge sowie einen Be-schleunigungssensoreingang zur Verfügung /12/. Die Überwachung bzw. die Übermittlung der Daten erfolgt auf Anfrage der Zentrale, in festgelegten Zeitintervallen oder bei Über-/Unterschreitung von Schwellwerten. Die Leistungsaufnahme beider Systeme zusammen beträgt im Maximalfall unter 300 mW, im Stand-by-Betrieb deutlich darunter.
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4.1.1.4 Güterverkehr
Ortung • System zur Betriebsoptimierung der Japan Freight Railway Company (JR Freight)
Die JR Freight hat ein System für Güterzüge entwickelt, daß die Erfassung von Be-triebsbedingungen, Zugverspätungen, Betriebsunterbrechungen und anderen Infor-mationen bei Unfällen und damit ein effizientes Krisenmanagement ermöglicht /13/. Dabei ermittelt das System Informationen während des normalen Betriebsablaufs ü-ber den aktuellen Standort, den Fahrtablauf, An- und Abfahrtszeiten und andere rele-vante Informationen für den Güterverkehr. Nach der Aufbereitung der Daten werden die Informationen an Transportunternehmen gesandt. Dazu wird ein, extra für diesen Zweck, ins All geschossener künstlicher Nachrichtensatellit benutzt, der als Relaissta-tion für die auf der Lokomotive eines Zuges ermittelten Positionsdaten (GPS) zur Ü-bermittlung an eine Bodenstation dient. Die gewonnenen Informationen werden in der Bodenstation optisch aufbereitet und angezeigt und dann an das Frachtinformations-netz übermittelt und nach weiterer Verarbeitung an die Güterbahnhöfe zur Disposition übergeben. Die Übertragung zwischen Lokomotive und Leitstelle verläuft nach festgelegten, län-geren Zeitintervallen, kann aber bei Bedarf auf bis zu 2 Minuten herabgesetzt werden. Nach Angaben der Betreiber ist die Flächendeckung größer als bei allen derzeitigen Bodenfunksystemen.
Diagnose • System Rail...Direct (Krupp Timtec Telematik)
Mit dem System Rail...Direct bietet sich u.a. die Möglichkeit der Online-Diagnose, der zustandsbezogenen Instandhaltung, laufleistungsorientierter Wartung und ereignis-orientierten Services /14/. Zu diesem Zweck werden kundenspezifische Servicedienstleistungen über ein Datenkommunikationsnetzwerk bereitgestellt. Weitere Anwendungen im Bereich des Flottenmanagements und der Fahrgastinformation sind möglich.
Ortung + Diagnose • System ATIS (Krupp Timtec Telematik)
Das System ATIS (Autarkes Telematik- und InformationsSystem) dient in erster Linie der Ortung und der Erfassung von Zustandsdaten der Ladung. Es wird bspw. an ei-nem Container von außen befestigt und kann mit Hilfe eines Solarpannels im Idealfall über mehrere Jahre ohne Batterietausch betrieben werden; hierbei liefern die Solar-zellen den Strom für die Sensoren. Das System bietet standardisierte Schnittstellen für weitere optionale Sensoren, mit denen die Laufleistung, Stöße, Temperaturen, Gasdichtigkeit und die Türverriegelung überwacht werden kann /15/.
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Durch Datenübertragung an ATIS ist das System an sich ändernde Anforderungen anpaßbar. Zum Zweck der Ortung wird bei diesem System auf GPS mit einer Genauigkeit von +/- 100m zurückgegriffen. Die Datenweiterleitung erfolgt per GSM oder Satellitenfunk. Die Sende- bzw. Meldehäufigkeit ist in weiten Bereichen frei konfigurierbar. Derzeit erscheinen die Registrierung von Längsbeschleunigungen (Rangierstöße), Registrierung der Geschwindigkeit und der Streckenkilometer, der Beladungszustän-de und Zustandsdaten des Ladegutes wirtschaftlichen. /16/
• System MobiLog (Krupp Timtec Telematik)
s. Kap. 4.1.1.2 oben /17/
4.2 Straßenfahrzeuge
4.2.1 Kfz
4.2.1.1 Diagnose Im Kraftfahrzeugbereich dient die Sensorik in erster Linie der Unterstützung des Fahr-zeugführers und der Verhinderung von Unfällen. Im folgenden sind daher für die Senso-rik und die nachgeschaltete Elektronik Beispiel der neuen S-Klasse (W 220) genannt /18/. Die Anforderungen an die Fahrdynamik zielen darauf, die Traktion unter Berücksichti-gung der Stabilität und Lenkfähigkeit zu erhalten, beim Bremsen wird unter den gleichen Randbedingungen der kürzeste Bremsweg und eine lineare Reaktion des Fahrzeuges erwartet. Als Beispiel der Unterstützung des Fahrers beim Bremsen sei das Regelsystem ABS ge-nannt, das derzeit nur die Raddrehzahlsensoren zur Erfassung der Fahr- und Bremszu-stände nutzt. Als Erweiterung wird in der neuen Baureihe eine Signalanalyse in Echtzeit durchgeführt, die fahrdynamische Zustände erfassen und den Bremszylinderdruck ent-sprechend der Anforderungen modulieren kann. Erkannt werden z.B. Kurvenfahrten durch den asymmetrischen Druckaufbau an Vorder- und Hinterachse. Auf einem ähnlichen Regelkreis basiert das bekannte ESP von Mercedes, das aber nicht nur im Bremsfall (s.o.), sondern auch in allen fahrdynamischen Situationen eingreifen kann. Ausgewertet werden die Signale Lenkradwinkel, Referenzgeschwindigkeit (gebildet aus den Raddrehzahlsensoren), dem geschätzten Haftwert zwischen Rad und Straße sowie Querbeschleunigung und Gierwinkel bzw. –geschwindigkeit. Als Aktuatoren stehen in diesem Regelkreis der Bremskraftverstärker (entkoppelt vom Bremspedal), ein Hydrau-likaggregat mit elektronischem Regler zur Erzeugung hydraulischer Energie und die Mo-tormomentensteuerung zur Verfügung (s. Bild 6) /19/.
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Die o.g. Eingriffs- bzw. Diagnosesysteme haben die Fahrsicherheit gegenüber dem heu-te weit verbreiteten ABS-Standard entscheidend erhöht und bieten für Kraftfahrer („Otto-Normal-Fahrer“) sehr hohe Sicherheitsreserven. Zusätzlich sind weitere Assistentensys-teme in der Entwicklung bzw. schon eingesetzt (Fahr- und Bremsassistent bei Mercedes-Benz).
4.2.1.2 Unfalldatenspeicher (UDS) Im Kraftfahrzeugbereich werden aufgrund der meist unklaren Fahrzeugbewegungen vor Unfällen zunehmend Unfalldatenspeicher in Fahrzeuge installiert. Vorreiter sind große Fahrzeugflottenbetreiber, in Berlin die Berliner Polizei und vereinzelt auch Privatperso-nen, die im Schadensfall ihre Unschuld zu beweisen hoffen. Der UDS überwacht dabei bis zu 10 externe Eingänge, Längs- und Querbeschleunigun-gen sowie einen elektronischen Kompaß und speichert diese Daten auf nichtflüchtigen elektronischen Speichermedien. Die Auswertungsstrategie sieht dabei zur Ermöglichung von Unfallrekonstruktionen vor, daß die letzten 40s vor einem Unfall gespeichert bleiben und von autorisierten Personen mittels Spezialelektronik ausgelesen werden können.
4.2.1.3 Ortung Weiterhin ist im Kraftfahrzeugbereich die Positionsbestimmung mit GPS und die Auswer-tung der Position über ein Navigationssystem mit Führung des Fahrers zu seinem vorher bestimmten Zielort üblich. Dabei wird, anders als bei der Bahn beabsichtigt, das GPS-Signal nicht wirklich als kon-tinuierliche Positionsbestimmung benutzt, sondern das Navigationssystem besitzt als Da-tenspeicher eine CD-ROM mit digitalisierten Stadtplänen. In gelegentlichen Abständen findet dann ein Abgleich mit den, vom GPS empfangenen, Positionsdaten zur Korrektur statt. Die Wegberechnung zwischen zwei Abgleichen erfolgt über die Raddrehzahlsenso-ren.
4.2.2 Nfz Am Beispiel der Lastkraftwagenfamilie ACTROS der Fa. Mercedes-Benz AG sei das dort eingesetzte Telematiksystem TELLIGENT mit seinen Möglichkeiten etwas näher erläu-tert (s. auch Bild 10 bis Bild 12). Mit dem Telligentsystem werden u.a. das Hochdruckeinspritzsystem, die Schaltung, der Kraftstoffverbrauch und der Verschleiß überwacht. Dazu wird bei der Überwachung der Kraftstoffeinspritzung ständig der optimale Einspritz-zeitpunkt, die Einspritzdauer und die Kraftstoffmenge für jeden Zylinder und für jede Fahrsituation überwacht.
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Bei der Schaltung bestimmt das Telligentsystem anhand der Drehzahl und des Drehmo-mentes denjenigen von 16 Gängen, der zu den Anforderungen an Zugkraft und Ge-schwindigkeit am besten paßt. Diese Schaltung kann mit einer Automatik kombiniert werden, die zusätzlich verschleißoptimiert arbeitet und zusätzlich das Fahrzeuggewicht berücksichtigt. Dadurch kann bis zu 1l Kraftstoff auf 100km eingespart werden. Auch in Hinblick auf instandhaltungsbezogene Wartung setzt der ACTROS mit dem Telli-gentsystem Maßstäbe. Alle wichtigen Verschleißteile sowie der Stand von Motoröl und aller Aggregateöle werden ständig überwacht. Unter Berücksichtigung der ständig ermit-telten tatsächlichen Belastung des Fahrzeuges kann der notwendige nächste Werkstat-termin zum Wechseln der Betriebsmittel besser und exakter geplant werden. Als weiterer Vorteil sei die dramatische Verkürzung des Bremsweges mit Hilfe des Telli-gentsystems genannt, das durch optimierte Auswertung der Raddrehzahlsensoren den Anhalteweg um bis zu 10m verkürzen kann /20/.
Bild 10: Bremssteuerung
Bild 11: Wartungssystem
Bild 12: Motorsteuerung
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4.3 Luftfahrt Ortung und Konsequenzen Da sich die Kapazitäten der Luftverkehrsräume auf den radarüberwachten Strecken im-mer weiter füllen und eine sichere Leitung durch Bodenstationen immer mehr an ihre Grenzen stößt, besteht in der Luftfahrt der Trend, sich die günstigen Eigenschaften des GPS-Systems zunutze zu machen /21/. Auch die Flugkontrolle wird bei der Meldung, nach erfolgter Ortung an Bord der Flugzeu-ge, an eine Leitstelle in Bereichen möglich, in denen keine lückenlose Radarüberwa-chung möglich ist. Durch GPS lassen sich Flugrouten nach wirtschaftlichen, zeitlichen und ökologischen Gesichtspunkten planen und der Luftraum entlasten. Als Konsequenz ist die Flächenna-vigation denkbar, bei der von festen Flugrouten abgewichen werden kann. Andere Ver-kehrsteilnehmer in Reichweite des Funksystems eines Flugzeuges können durch auto-matisch abgestrahlte Positionsdaten bei Annäherung gewarnt werden.
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5 Energieversorgung Wie bereits angedeutet, spielt die Bereitstellung bzw. die Verfügbarkeit elektrischer E-nergie eine zentrale Rolle beim Einsatz von Telematiksystemen. Steht, wie i.a. üblich, kaum elektrische Energie auf einem auszurüstenden Güterwagen zur Verfügung kann das Energiemanagement über Erfolg und Mißerfolg eines Systems entscheiden, auch wenn das System ansonsten fehlerfrei funktioniert. Im folgenden sollen einige der möglichen Lösungen zur Bereitstellung elektrischer Ener-gie auf einem auszurüstenden Güterwagen mit ihren Vor- und Nachteilen diskutiert und abschließend tabellarisch bewertet werden.
5.1 Dauerhafte Energieversorgung
5.1.1 Durchgehende elektrische Leitung Die durch alle Wagen eines Zuges gehende elektrische Leitung zur Versorgung der Hilfs- und Nebenaggregate stellt die Ideallösung dar, jedoch ist diese bis auf weiteres nicht zu realisieren, da Güterwagen europaweit frei in Zugverbände eingestellt werden können müssen und Normungs- bzw. Einigungsbestrebungen zur Verlegung von elektrischen Leitungen in Güterwagen erst am Anfang stehen.
5.2 Batterien Als Alternative zu einer durchgehenden elektrischen Leitung besteht dir Möglichkeit eines konsequenten Energiemanagements mit Teilsystemabschaltungen und Stand-by-Betrieb und Mitnahme ausreichender Energiespeicher. Aus Kostengründen und in Abhängigkeit von der Wartungsstrategie eines Flottenbetrei-bers gibt es drei grundsätzlich unterschiedliche Strategien, die im folgenden dargestellt sind.
5.2.1 Batterie mit 6 bzw. 4 Jahren Lebensdauer Zur Gewährleistung ausreichender Stromversorgung auf Güterwagen besteht dir Mög-lichkeit, Batterien einzusetzen, deren gespeicherte elektrische Energie ausreicht für ei-nen Zeitraum von 6 Jahren (Revisionsintervall normaler Güterwagen) bzw. 4 Jahre für Kesselwagen. Problematisch bei dieser Strategie ist, daß entweder bei einfachen und preiswerten Bat-terien eine große Masse mitgeführt werden muß oder bei Einsatz höher entwickelter Bat-terien mit geringer Masse deren Preis derzeit sehr hoch ist. Dabei bedeutet der Einsatz von Batterien hoher Masse eine merkliche Verringerung der Zuladung bzw. dadurch der finanziellen Einnahmen.
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Als problematisch bei dieser Strategie dürfte ebenfalls der Aspekt der Selbstentladung von Batterien sein, der bei einer Einsatzdauer von 6 bzw. 4 Jahren und Einsatzgebieten mit teilweise sehr tiefen Temperaturen nicht zu unterschätzen ist.
5.2.2 Batterie mit 2 – 3 Jahren Lebensdauer Bei der Verkürzung der maximalen Lebensdauer von 6 bzw. 4 Jahren auf ca. die Hälfte entschärft sich das Problem der mitzuführenden Masse ein wenig. Die oben bereits angesprochenen Probleme der Selbstentladung treten auch hier in Er-scheinung, sind jedoch nicht so ausgeprägt.
5.2.3 Batterie als Pufferlösung Als günstigste Lösung erscheint die Möglichkeit, Batterien nur als Puffermedium für die Sicherstellung ausreichender elektrischer Energie in Phasen schwacher Nachladung und zur Pufferung von unterschiedlichen Stromangeboten einzusetzen. Dadurch kann die mitzuführende Batteriemasse gesenkt werden und die Batterien müs-sen nicht den gesamten Energiebedarf des Wartungszyklus mitführen. Auch der Lebensdauer einer Batterie kommt eine geregelte Ladung und Entladung mit möglichst gleich verteilten Zyklen sehr entgegen. Bei dieser Lösung ist auf eine ausreichende Dimensionierung der Pufferbatterien zu ach-ten, da diese Nachladetechnik nur bei Fahrt eines Güterwagens Energie einspeisen kann.
5.3 Nachlademöglichkeiten der Batterien
5.3.1 Radsatzgenerator Verschiedene Strategien zum Einsatz von Radsatzgeneratoren sind hier angezeigt. Zum einen kann auf traditionelle Radsatzgeneratoren bekannter Hersteller (z.B. Man-nesmann-Rexroth, Preis für 3A-Modell ca. 1500,- DM/Stück) zurückgegriffen werden. Zum anderen können aber auch neu zu entwickelnde, nach dem Fahrraddynamo arbei-tende Generatoren zum Einsatz kommen, deren Aufbau kostengünstiger sein könnte.
5.3.2 Druckluftgenerator Weite Verbreitung im Bereich der Eisenbahntechnik hat der sog. Druckluftgenerator, der einen geringen Teil der durch den Zug geführten Druckluft zur Erzeugung elektrischer Energie benutzt. Dabei ist auf eine sorgfältige Auslegung der Generatoren zu achten, damit die Summe der mit Druckluftgeneratoren ausgestatteten Wagen innerhalb eines Zugverbandes die maximal zulässigen Druckverluste (Ausgleich durch den Drucklufterzeuger der Lokomoti-ve) nicht überschreiten und somit die Fahrsicherheit gefährdet wird.
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Beachtet werden muß dabei ebenfalls, daß die Pufferkapazität der Akkus für einen län-geren Standzeitraum der Wagen dimensioniert werden, da diese Energiegewinnung nur bei angeschlossener Lokomotive wirksam ist.
5.3.3 Windgenerator Als weitere Energiequelle ist ein an kleine Windräder angebundener Generator möglich. Diese Energiequelle steht in unterschiedlicher Intensität und Häufigkeit zur Verfügung. Zu erwarten ist, daß sie sowohl bei der Fahrt eines Güterwagens konstant und viel Ener-gie liefert, im Stand aber nur stochastisch verteilt durch Witterungseinflüsse Energie bereitstellt.
5.3.4 Solarzellen Der Einsatz von Solarzellen bietet ebenfalls sowohl viele Vor- als auch Nachteile. Als Vorteil kann die Einfache Montage am Wagendach und die Verkabelung sowie die Tat-sache daß kein Eingriff in sicherheitsrelevante Bereiche des Wagens stattfindet gewertet werden. Beachtet werden sollte bei Solartechnik jedoch die Menge der nachgespeisten Energie in Abhängigkeit von den geographischen Einsatzgebieten. Bei Solartechnik kann auch nicht mit Sicherheit von einer konstanten Energielieferung innerhalb eines geographischen Bereichs aufgrund von Witterungsbedingungen ausge-gangen werden. Außerdem kann definitiv während der Abend und Nachtstunden keine Energie eingespeist werden. Nachteilig für die Solartechnik ist auch die derzeit noch recht geringe Energiedichte und der relativ hohe Preis. Beides wird sich jedoch nach Auffassung der Autoren in Zukunft in positive Richtung für den Einsatz auf Güterwagen entwickeln. Trotz der zuvor genannten Problematik bestehen bei geschickter Dimensionierung und einem strengen Energiemanagement gute Einsatzchancen. Diese Einschätzung wird durch erste Betriebsergebnisse der Fa. KruppTimtec Telematic untermauert.
5.3.5 Brennstoffzelle Die Technologie der Stromerzeugung durch Umkehr der Pyrolyse (Spaltung von Wasser in Sauer- und Wasserstoff mit Hilfe elektrischer Energie) haben Forscher bereits vor ca. 150 Jahren entdeckt; jedoch stellte die kontrollierte Energiefreisetzung lange Zeit ein schwerwiegendes Hindernis dar. Beim Einsatz der Brennstoffzelle wird das o.g. Prinzip der Pyrolyse umgekehrt, indem an der Anodenseite Wasserstoff und auf der Kathodenseite Sauerstoff entlang geführt wird; beide Seiten sind dabei durch einen Katalysator (Folie) gasdicht getrennt. Lediglich Ionen
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(Protonen) können den Katalysator passieren. Somit entsteht auf der Anodenseite ein Elektronen- und auf der Kathodenseite ein Protonenüberschuß und damit eine Span-nungsdifferenz. Werden Kathode und Anode leitend verbunden, fließt ein elektrischer Strom. Schwierigkeiten bereiten derzeit noch der Wirkungsgrad der Wasserstofferzeugung und der sichere Transport des sowie der Raumbedarf des Tanks für den Wasserstoff. Um im Kraftfahrzeugbereich die Tankinfrastruktur nutzen zu können, wird die Nutzung flüssigen Methanols anstelle von reinem Wasserstoff überlegt. Dadurch könnte Gewicht eingespart und die Betankung einfacher und sicherer gemacht werden. Von Vorteil dagegen ist bei Einsatz von Brennstoffzellen die fast rückstandsfreie Ver-brennung, bei der im wesentlichen Wasserdampf entsteht. Anwendungsbeispiele für Brennstoffzellen sind seit den 60er Jahren die Stromerzeugung von US-Raumschiffen sowie U-Boot-Antriebe /22/. Im fahrzeugtechnischen Bereich finden sich verschiedene bereits ausgeführte Lösungen v.a. im Pkw-Bereich. Bekannte Beispiele dafür sind die Fahrzeuge der Fa. Mercedes-Benz, Necar I und II. Auch andere europäische Firmen bereiten sich intensiv auf den Einsatz von Brennstoffzellen im Pkw vor (z.B. Renault mit einem Laguna Kombi). Ein Großprojekt zur Erprobung der Brennstoffzellentechnologie findet derzeit in Form von drei Vorfeldbussen auf dem Münchner Flughafen statt /23/. „Eine ganz andere Brennstoffzelle hat Chrysler im Versuch. Die Amerikaner haben einen Prozessor entwickelt, der Wasserstoff aus normalem Tankstellen-Benzin gewinnt. Diese Technologie hat den Vorteil, daß die notwendige Infrastruktur (...) vorhanden ist. Bis zum Jahr 2015, glaubt Chrysler, wird die Entwicklung soweit vorangekommen sein, daß Brennstoffzellen die Hauptenergiequelle für Pkw sein werden - mit Verbrauchs- und Ab-gaswerten von denen wir heute nur träumen können.“ /24/ Erste Entwicklungen im Güterverkehrsbereich der Fa. Krupp-Timtec-Telematic weisen in eine ähnliche Richtung. Derzeit wird eine Brennstoffzelle zur Stromversorgung eines Te-lematiksystems auf Güterwagen erprobt. Die angestrebte Lebensdauer ohne Wartung beträgt hierbei ca. 4 Jahre. Da die Versuche gerade erst begonnen haben, sollte dieses System beobachtet und seine Weiterentwicklung verfolgt werden. Die Größe der Brennstoffzelle ist derzeit noch etwa doppelt so groß wie ein handelsübli-cher Aktenkoffer; angestrebt wird jedoch etwa die halbe Größe.
5.3.6 Schwingankerprinzip (Feder-Masse-Schwinger) Als Möglichkeit für künftige Entwicklungen ist der Einsatz eines nach dem Feder-Masse-Schwinger-Prinzip arbeitenden Energieerzeugers, der aus den auftretenden Vertikalkräf-
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ten bzw. –schwingungen durch Umwandlung von translatorischer in rotatorische Energie arbeitet, denkbar und wirtschaftlich, da keine Erhöhung der Fahrwiderstände oder Eingriffe in sicherheitsrelevante Fahrzeugbereiche auftritt. Von Vorteil ist die Autarkie des Systems und die Energieerzeugung aus sonst störenden Einflüssen (Vertikalstößen). Nachteilig bzw. kritisch ist dabei, daß in Bereichen guten Oberbaus voraussichtlich sehr wenig Energie erzeugt werden kann und daß dieses Gerät vmtl. eine sehr geringe Ener-giedichte hat. Außerdem kann damit, wie bei einigen der oben genannten Beispielen bereits bespro-chen, während Stillstandszeiten die Energieversorgung nicht gesichert werden.
Bild 13: Energieversorgungskonzepte des autarken Güterwagens
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6 Diagnosekonzept
Ortung Meldunga) Häufigkeit
b) Kommunikationsweg
Eingriffa) aufgrund Betriebsdaten
b) autark zugselektiv
c) autark wagenselektiv
Block 1Block 2
Leitzentrale
GPS
: Funk
: gefährlicher Zustand
Buskommunikation
GPS
Zug 1
Lokkommunikation
Leitstellenkommunikation
OKt2t1
titi+1 : definierter Meldeabstand -
t3OK
a) betrieblich
b) fahrzeugseitig
z.B.: BremsenWagen 1
Zug 1Wagen 2
Zug 1Wagen 3
Zug 1
Bild 14: Ortungs-/ Meldungs- und Eingriffsstrategien des autarken Güterwagens
6.1 Ortung
6.1.1 Allgemein Für das Eingreifen im Schadensfall ist eine Kenntnis über die aktuelle Position des be-troffenen Fahrzeuges notwendig. Da das Telematiksystem auch ohne die direkte Anwe-senheit von Personen (z. B. Lokführer, Rangierer) im Falle einer Störung eine Alarmie-rung auslösen soll, müssen Möglichkeiten zur Ortung des Fahrzeugs vorgesehen wer-den. Neben der Nutzung der Ortung bei der Überwachung von Gefahrgutwagen kann die Möglichkeit der Standortmeldung eines Fahrzeuges auch für die logistische Disposition usw. eingesetzt werden, wodurch sich Synergieeffekte ergeben (siehe Kapitel 11 ). An ein Ortungssystem für die Überwachung von Gefahrgutwagen müssen unter anderem folgende Anforderungen gestellt werden:
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• Das System muß hinreichend genau orten, um das Fahrzeug auch in einem mehr-gleisigen Bahnhof zu identifizieren und eventuell Rettungsmannschaften an das Fahrzeug heranführen zu können.
• Die Ortung muß sowohl aus großer Entfernung heraus, beispielsweise aus einer A-
larmierungszentrale erfolgen können, als auch im Nahbereich möglich sein (z. B. muß der Lokführer den betroffenen Wagen im Zug identifizieren können).
• Die Ortung muß auch möglich sein, wenn das Fahrzeug allein abgestellt ist. Daher
sind Ortungssysteme, die ausschließlich auf einem Master/Slave-Prinzip arbeiten, z. B. über die Zugehörigkeit eines Wagens zu einem Zug, nur geeignet, wenn die Zü-ge in der Regel nicht getrennt werden.
• Die Ortung muß auf allen Strecken, auf denen das Fahrzeug verkehrt, unabhängig
von dem jeweiligen Streckenbetreiber möglich sein (z. B. Werksbahn, Privatbahn, un-terschiedliche Bahnverwaltungen usw.).
Im folgenden werden einzelne Möglichkeiten zur Ortung von Fahrzeugen vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für ein Gefahrgut-Telematiksystem bewertet.
6.1.2 Signalisierung am Fahrzeug Das Fahrzeug signalisiert im Störfall durch akustische (z. B. Horn) und/oder optische Signale (z. B. Blinklicht) seine Position. Dieses System eignet sich nur im Nahbereich, d. h. wenn sich Personen im Bereich des Fahrzeuges aufhalten. Im Gegensatz zu den anderen Ortungssystemen kann das Fahr-zeug auch ohne zusätzliche technische Einrichtungen (Funkempfänger usw.) identifiziert werden. Eine Signalisierung am Fahrzeug ist außerdem eine vorteilhafte Ergänzung zu weiterreichenden Ortungssystemen, an die dann hinsichtlich der Genauigkeit geringere Anforderungen gestellt werden können (eine Genauigkeit von ca. 100 m wäre ausrei-chend).
6.1.3 Indirekte Ortung über betriebliche Daten Für die Sicherung des Fahrbetriebes und für die Rationalisierung des Rangierbetriebes liegen in einem Bahnbetrieb aktuelle Daten über die Position von Fahrzeugen bzw. Zü-gen grundsätzlich vor. Da diese Daten jedoch nur lokal verwendet werden (z. B. zur Sicherung eines Blockab-schnittes) und bei vielen Anwendungen die Identität einzelner Fahrzeuge unwichtig ist und daher nicht aufgezeichnet bzw. überprüft wird und da die Weiterleitung entsprechen-der Daten oft noch nicht automatisiert ist (z. B. Führen eines Buches für die Zugmeldun-
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gen usw.), sind diese Daten nur bei einer entsprechenden Verknüpfung bzw. Organisati-on nutzbar. Diese Verknüpfung erfolgt für Zugfahrten derzeit bei einigen europäischen Bahnbetrieben auf nationaler Ebene, sie ist jedoch vor allem für abgestellte Fahrzeuge und auf Strecken mit älterer Sicherungstechnik noch nicht überall möglich. Die Verknüp-fung der nicht standardisierten Informationen mehrerer Bahnsysteme zur Verfolgung ei-nes Fahrzeuges auf einem beliebigen Laufweg durch Europa ist derzeit nur in Sonderfäl-len möglich. Durch die Trennung von Streckenbetreiber und Güterverkehrsunternehmen im europäi-schen Bahnbetrieb entstehen unterschiedliche Interessengruppen. Für den eigentlichen Bahnbetrieb ist die genaue Ortung und Identifizierung einzelner Fahrzeuge derzeit von geringer Bedeutung. Ein Streckenbetreiber hat daher wenig Veranlassung, entsprechen-de Ortungssysteme zu installieren, zumal hierzu hohe Anfangsinvestitionen auch bei der vorhandenen Infrastruktur notwendig werden. Güterverkehrsunternehmen haben ande-rerseits selbst keinen Zugriff auf die vorhandene Infrastruktur, die Einrichtung entspre-chender eigener Infrastruktur wäre wahrscheinlich nicht wirtschaftlich. Weiterhin erfolgt die Aufnahme von Daten zur Initialisierung eines Zuges (z. B. Wagenlis-te bilden) und das Abgleichen zwischen weitergeleiteten Daten und tatsächlicher Zugzu-sammenstellung derzeit oft noch manuell, so daß hier Fehler auftreten. Eine Einführung von automatisierten Systemen zur Fahrzeugidentifizierung, wie es z. B. in den USA durch automatisch lesbare Transponder (Tags, AVI (Automatic Vehicle Information)) an Fahrzeugen existiert, wurde in Europa bisher nicht eingeführt. Aus den genannten Gründen eignet sich die indirekte Ortung beim derzeitigen europäi-schen Ausbauzustand von Systemen zur Fahrzeugidentifizierung nicht zur zuverlässigen Ortung von Gefahrgutfahrzeugen.
6.1.4 Aktive Ortung über Einrichtungen im Gleis und Wegmessung Für Triebfahrzeuge sind derzeit verschiedene Ortungssysteme im Einsatz, die ihre Posi-tionsbestimmung aus der Kombination einer absoluten Ortung anhand ortsfester Einrich-tungen im Gleis und einer Wegmessung vornehmen. Hierbei befinden sich an verschie-denen Punkten im Gleisnetz Einrichtungen, die vom Fahrzeug erkennbar sind und eine eigene, unverwechselbare Kennung haben. Dies sind z. B. Transponder - Baken, Balisen (z. B. ETCS, EUROBALISE) oder Kreuzungen von Leiterschleifen bei linienförmigen Zugbeeinflussungssystemen (z. B. LZB, EUROLOOP). Das Fahrzeug identifiziert die ortsfeste Einrichtung bei der Überfahrt. Aus einer elektronischen Streckenkarte, auf der die Positionen solcher Einrichtungen verzeichnet sind, kann es damit den eigenen Standort festlegen. Zwischen den ortsfesten Einrichtungen kann das Fahrzeug seine Po-sition durch Wegmessung (z. B. Radumdrehungen) in Relation zur letzten ortsfesten Ein-richtung bestimmen.
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Für die Ortung beim Gefahrguttransport sind diese Systeme derzeit aus folgenden Grün-den wenig geeignet:: • Die entsprechenden Empfangs- und Auswertesysteme im Fahrzeug sind aufwendig
(Empfangsanlage, Signalverarbeitung, Stromverbrauch durch dauernde Empfangsbe-reitschaft, Laufwegmessung).
• Es handelt sich um spezialisierte Systeme, so daß am Markt aus der Großserienpro-duktion vorhandene Komponenten hier nicht unmittelbar einsetzbar sind.
• Die Verbreitung einer entsprechenden Infrastruktur auf dem europäischen Bahnnetz ist gering. Unterschiedliche europäische Bahnsysteme haben derzeit verschiedene, inkompatibele Systeme im Einsatz, so daß ein europaweit verkehrendes Fahrzeug eine Vielzahl unterschiedlicher Empfangssysteme mitführen müßte. Eine europaweite Standardisierung mit ETCS wird derzeit angestrebt, sie wird jedoch bereits installierte Systeme nicht kurzfristig ersetzen.
• Derzeit nicht gelöst ist, inwieweit nicht-bahninterne-Telematik-Dienstleister diese si-cherheitsrelevante Infrastruktur nutzen dürfen, zumal auch hier der oben erwähnte Konflikt zwischen Bahninfrastrukturbetreiber und Güterverkehrsunternehmen besteht.
6.1.5 Aktive Ortung über Satellitennavigationssystem Das Fahrzeuggerät berechnet aus den Signalen von mindestens drei geostationären Sa-telliten nach einer Signallaufzeitmessung die eigene Position. Das Fahrzeug muß dazu die Satellitensignale gleichzeitig empfangen. Die Satelliten werden von verschiedenen Regierungen (z. B. GPS (Global Positioning System - USA; GLONASS - Rußland) be-trieben, dienen hauptsächlich der Verteidigung und dürfen zivil genutzt werden. Ein Ent-gelt zum Betrieb eines Ortungssystems erfolgt pro Gerät einmalig über den Kauf der Komponenten zur Signalverarbeitung. Eine OEM-Version des GPS-Core kostet unter 150 DM inklusive dieses Entgelts. Satellitenortungssysteme sind derzeit in vielen Berei-chen des Verkehrswesens Stand der Technik, beispielsweise beim Seeverkehr und beim Straßenfernverkehr in Europa. Die zivilen Systeme erlauben bei Empfang von drei Satel-liten eine Positionsgenauigkeit von 100 m ohne Anwendung zusätzlicher Maßnahmen zur Erhöhung der Genauigkeit wie Differential GPS oder Empfang weiterer Satelliten. Für die Ortung bei der Gefahrgut-Telematik ist diese Genauigkeit ausreichend, zumal durch ein unterstützendes Signalsystem am Wagen eine genaue Identifizierung vor Ort möglich ist. Die Genauigkeit der zivilen Satellitennavigationssysteme wird sich erhöhen, so daß in Zukunft auch eine gleisgenaue Identifizierung (Genauigkeit 2m) möglich sein wird. Problematisch ist bei diesem System die Verfügbarkeit. Während für eine Ortung zur Un-terstützung der Disposition auch eine geographisch lückenhafte Ortung ausreicht muß für die Meldung von Störungen bei Gefahrguttransporten eine hohe Verfügbarkeit gefordert
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sein. Da eine Positionsbestimmung nur erfolgen kann, wenn vom Fahrzeuggerät aus gleichzeitig zu drei Satelliten eine direkte "Sichtverbindung" besteht, ist das System in Tunneln, tiefen Einschnitten, unter Brücken und bei dichter Bebauung unter Umständen nicht einsetzbar. Möglich wäre hier eine Kombination mit einer Wegmessung im Fahr-zeug. Trotz dieses Nachteils stellen Satellitenortungssysteme derzeit für die Gefahrgut-Telematik den besten Kompromiß zwischen hinreichend genauer Ortung einerseits und Anschaffungs- und Betriebskosten andererseits dar.
6.2 Ladegutüberwachung Im Bereich des Güterverkehrs sind verschiedene Ladegutzustände für den Spediteur und den Wagenbesitzer sowie u.a. die Allgemeinheit von Interesse. Hierzu zählen zum einen die Diebstahlüberwachung (Tür auf/Tür zu), der Verlust von La-degut (Leckage) und physikalische Zustandsänderungen (v.a. Druck und Temperatur) sowie eine gleichmäßige Ladegutverteilung wegen der Problematik der Einhaltung der Lichtraumprofilbeschränkung.
6.2.1 Diebstahlüberwachung Zur Überwachung von Diebstahl muß an die Telematikbox ein geeigneter Sensor über definierte Schnittstellen anschließbar sein, der z.B. Türkontakte überwacht oder die In-formationen von Bewegungsmeldern auswertet.
6.2.2 Füllstand Die Überwachung des Füllstandes kann für Betreiber von Gefahrguttransportflotten be-sondere Bedeutung haben, wenn kein Ladegut auf dem Transport verloren gehen darf. Diese Überwachung kann auf mehrere Arten erfolgen, die im folgenden beschrieben sind. Allerdings treten in Hinblick auf zuverlässige Aussagen über den Füllstand Proble-me bei Flüssigkeiten u.a. durch das „Schwappen“ im Betrieb, bei Leckverlusten geringen Umfangs sowie während der Fahrt auf. 1. Messung mit Hilfe von Füllstandssensoren
Untersuchungen der am Markt verfügbaren Füllstandssensoren haben gezeigt, daß diese Meßmethode mehrere Nachteile hat. Da die meisten Geber mehrere, durch Magnete geschaltete, Reed-Kontakte benut-zen, ist nur eine stufige, und damit sehr ungenaue Messung möglich. Alternativ kann durch Ultraschalltechnik der Abstand vom Sensor zur Flüssigkeitsoberfläche gemes-sen werden. Andere Sensoren benutzen zu diesem Zweck energieintensive Wirbel-stromsensoren, deren Einsatz aufgrund der nur begrenzt zur Verfügung stehenden Energie schwierig ist. Beachtet werden muß bei Gefahrguttransporten jedoch, ob diese Technik einsetzbar ist; bei Gastransporten versagen beide Methoden naturgemäß. Auch ist der Energieaufwand zur dauerhaften Messung des Füllstandes recht hoch,
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da sowohl die Meßsensoren als auch die Auswerteelektronik dauerhaft mit Strom ver-sorgt werden muß ( 4-5 W). Ein weiteres Problem stellt die Höhe der Kessel mit bis zu 3m dar, da dann mehrere Sensoren benutzt werden müssen, um über die gesamte Höhe den Füllstand kontrol-lieren zu können. Außerdem kann mit der unter 2. vorgestellten Lösung der Füllstand als Neben- bzw. Abfallprodukt der Fahrdynamiküberwachung gemessen werden. Aufgrund der o.g. Aspekte scheint diese Lösung wirtschaftlich nicht gerechtfertigt.
Bild 15: Auswahl verfügbarer Füllstandssensoren der Fa. Kroma, Magdeburg
2. Indirekte Messung über die Meßsensoren der Vertikalkräfte am Fahrwerk Die Messung der Masse des Ladgutes läßt sich mit verhältnismäßig geringem Auf-wand durch die in der Federstufe eingebauten Kraft- bzw. Wegsensoren realisieren. Dazu ist es erforderlich, einige Zeit (mehrere Minuten), nachdem das Fahrzeug zum Stillstand gekommen ist, da flüssige Ladung „schwappt“, das Fahrzeuggewicht durch Nutzung der Sensorsignale der Federstufe zu messen. Dies setzt voraus, das diese Messeinrichtungen vor dem Befüllen (bei Fahrzeugen mit Wechselaufbauten) bzw. bei der Erstinstallation des Telematiksystems (bei Fahr-zeugen mit unveränderlichem Aufbau) kalibriert werden.
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Im Vergleich zu Lösung 1 ist diese Variante kostengünstig (sozusagen umsonst) und mit geringem Aufwand (Auswerteelektronik) zu realisieren.
3. Messung des Abstands zwischen Aufbau und Schienenkopf Zu diesem Zweck sind im Bereich der Pufferbohlen Sensoren, z.B. Ultraschallsenso-ren, so anzuordnen, daß diese sich bei Geradeausfahrt und nach Möglichkeit auch bei Kurven direkt über dem Schienenkopf befinden. Damit läßt sich berührungslos der Abstand zwischen dem Aufbau bzw. dem Untergestell und der Schiene, der im übri-gen auch ein Maß für die Beladung ist erfassen. Erforderlich ist bei dieser Meß-methode ein Zeitglied, um Fehlinformationen, die beispielsweise bei Weichendurch-fahrten auftreten könnten, aus den Meßsignalen herauszufiltern.
6.2.3 Gewicht und Gewichtsverteilung Die Messung des Gewichts des Wagens und der Gewichtsverteilung zwischen linker und rechter Fahrzeugseite erhält durch die zahlreichen, bisher geschehenen, Unfälle beson-dere Bedeutung. Die Überladung von Güterwagen hat zum einen deutlichen Einfluß auf die Fahrdynamik (Vertikal- und Querkräfte sowie die erforderlichen Bremskräfte), gewinnt aber durch die Eigenschatten des Gefahrgutes besondere Brisanz. Ein Beispiel dafür, wie gefährlich die Überladung mit Gasen sein kann, gab das jüngst passierte Tankwagenunglück bei der Fa. Hüls in Marl am 24.12.97, bei dem ein aus Polen kommender Tankwagen um 16t mit einem brennbaren Gas überladen war. Zum Zeitpunkt des Grenzübertritts traten auf-grund der niedrigen Außentemperatur in Polen noch keine Probleme auf. Erst bei der einsetzenden Erwärmung dehnte sich das Gas unzulässig aus und der Wagen versagte /25/. Ladungsverschiebungen von einer auf die andere Seite sind im Eisenbahnverkehr ein häufig auftretendes Problem. Aus der Ladungsverschiebung ergeben sich v.a. Probleme in Hinblick auf das Verlassen des Lichtraumprofils des Güterwagens. Dadurch kann es zu gefährlichen Kollisionen mit anderen Zügen und/oder ortsfesten Anlagen kommen. Als Meßsensoren werden die in Kapitel 6.3 beschriebenen Geber benutzt. Da nur deren Daten besonders ausgewertet werden, entsteht ein deutlicher Zusatznutzen.
6.2.4 Druck Im Bereich des Gefahrguttransports ist es wichtig, über den Zustand der Ladung, insbe-sondere bei Ladungen deren Zustand sich in Abhängigkeit der Umgebungsparamter än-dert, Informationen erhalten zu können.
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Beim Transport gefährlicher Gase (z.B. Brennbarkeit, Explosivität, u.a.) bildet ein Druck-sensor, der nur ab einem Schwellwert anspricht und das Diagnosesystem über die Ten-denz der Bildung eines gefährlichen Zustands informiert, ein Frühwarnsystem, das ein Eingreifen von Einsatzkräften an einem geeigneten Ort möglich macht. Die Schwellwerte sollten dabei so bestimmt werden, daß eine ausreichende Reaktionszeit zur Datenweiter-leitung und zum Veranlassen von geeigneten Maßnahmen möglich ist. Da die Kesselwagen zum Transport von Gas sehr unterschiedlich ausgelegt sind (Be-triebs-Behälterinnendruck) soll an dieser Stelle kein absoluter Wert als Grenzwert festge-legt werden. Statt dessen ist bei einer längerfristigen Überschreitung des Prüfdrucks um ca. 10% von der Entwicklung einer gefährlichen Tendenz auszugehen. Bei einer solchen Entwicklung sollte eine Warnung über die Telematik an die Bahnleitzentralen ausgehen, bei der die Wagennummer und die letzten Werte des Behälterdrucks übermittelt werden. Sollte der Druck weiter ansteigen (über 30% des Prüfdrucks) ist eine Warnmeldung mit höchster Priorität an die Betriebsleitzentrale der Bahn und/oder den Betreiber notwendig, um ein Eingreifen von Einsatzkräften vorbereiten und koordinieren zu können.
6.2.5 Temperatur Neben der Erfassung des Drucks (s. Kap.6.2.4) ist die Erfassung der Temperatur des Ladegutes eine wesentliche Kenngröße zur Erfassung der Entwicklung gefährlicher La-degutzustände. Da allerdings die Grenztemperatur von Gut zu Gut stark unterschiedlich ist, muß die Möglichkeit der Programmierbarkeit von außen gegeben sein. Auch ein Reset bei Entlee-rung des Wagens ist vorzusehen, damit keine falschen Informationen des vorhergehen-den Ladeguts verwendet werden können. Wie bei der Drucküberwachung sollte auch hier eine Schwellwertabfrage und –übermittlung in zwei Schritten erfolgen. Der erste Schritt ist die Vormeldung des länger-fristigen, noch ungefährlichen, aber zum gefährlichen neigenden, Zustands; die zweite Warnstufe wird dann kurz vor Erreichen des kritischen Zustands ausgelöst , damit der Zuges in geeignete Regionen geleitet und die Einsatzkräfte an den Zug herangeführt werden können. Die zum Einsatz kommenden Temperatursensoren sollten, sofern sie mit dem zu trans-portierenden Medium in Kontakt kommen, in explosionsgeschützter Ausführung einge-baut werden.
6.2.6 Transportbeanspruchung Derzeit zeichnet sich das Bild ab, daß zur Ermittlung der Transportbeanspruchung des Ladegutes und damit zur Dimensionierung seiner Verpackung nicht ausreichend statisti-
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sches Datenmaterial vorliegt, so daß eine angepaßte Dimensionierung der Transportge-fäße schwer möglich ist. Um im laufenden Betrieb statistisches Material auf den verschiedensten Streckenab-schnitten sammeln zu können, besteht die Möglichkeit, die von den Kraft- oder Be-schleunigungssensoren der Primärfederstufe gelieferten Meßwerte aufzuzeichnen bzw. charakteristische Werte (Maxima, etc.) zur Berechnung heranzuziehen. Eigene Senso-ren, die nur der Aufzeichnung der Transportbeanspruchung dienen, würden das Telema-tiksystem nur störanfälliger und teurer werden lassen. Außerdem stehen durch die Bil-dung von Übertragungsfunktionen zwischen Fahrwerk und Untergestell unter Benutzung der Fahrwerkssensoren hinreichende Datenquellen zur Verfügung. Ein weiterer Nutzen der Erfassung der Transportbeanspruchung besteht dann, wenn in Zusammenarbeit mit GPS Streckenbereiche, die eine besonders hohe Beanspruchung des Transportgutes hervorrufen, bei der Überfahrt mit Ihrer Position an eine Leitstelle übergeben werden, um beim nächsten Befahren dieses Streckenabschnitts die Ge-schwindigkeit und damit die Belastung des Ladegutes zu verringern.
6.2.7 Längsstoßüberwachung Die Überwachung maximal auftretender Längsbelastungen bzw. die Feststellung solcher Ereignisse spielt in der lückenlosen Überwachung der Transportbelastungen eine wichti-ge Rolle, so daß im Fall der Beschädigung des Ladegutes der Verantwortliche in der Transportkette bestimmt werden und zur Schadensregulierung herangezogen werden kann. Zur Überwachung der im Betrieb auftretenden Längsstöße wird pro Waggon ein Be-schleunigungssensor, der entweder dauerhaft die Beschleunigungen mißt oder auf die Überschreitung der max. zulässigen Beschleunigung von 5g anspricht /26/, installiert. Die Schwellwertüberwachung (Grenze: 5g) hat dabei den Vorteil, weniger Aufwand zur Datenauswertung zu verursachen und geringen Strom zur Datenerfassung zu benötigen.
6.3 Fahrdynamik
6.3.1 Messung der Vertikalkräfte
6.3.1.1 Messung der Radaufstandskräfte Die Messung der Radaufstandskräfte läßt sich im Bereich der Primärfederung relativ un-kompliziert nachrüsten oder für Neubauten bereits vorsehen. Die am einfachsten realisierbaren Varianten bestehen dabei aus Kraft- oder Weg-sensoren in der Primärfederstufe.
Bild 16: Meßeinrichtungen der Vertikalkräfte am Fahrwerk (Y25)
Da entgleisungsgefährdende Zustände i.a. nur an den Endachsen eines Drehgestellfahr-zeuges auftreten, genügt es, an diesen die entsprechenden Sensoren einzubauen. Damit werden die Installations- und Betriebskosten der Diagnosetechnik deutlich verringert. Da den Sensoren eine eigene, integrierte Selbstdiagnose zugeordnet wird, kann auf weitere Sensoren innerhalb eines Drehgestells verzichtet werden, um den Ausfall von Sensoren zu erfassen. Sollten während des Betriebs Sensoren ausfallen, ist dies noch kein Grund, den Betrieb einzustellen, da die Spurführung durch den Sensorausfall nicht beeinträchtigt ist. Statt dessen wird im Fehlerspeicher das Auftreten des Fehlers abgelegt und ggf. per Funk die nächste Instandhaltungswerkstatt auf die bevorstehende Reparatur vorbereitet; allerdings sollte dieser Sensorausfall eine relativ hohe Fehlerpriorität erhalten. Um die Chancen zu verdeutlichen sind im folgenden die prinzipiellen Möglichkeiten et-was detaillierter dargestellt. - Kraftsensor im Auflagebereich der Primärfeder
Durch Einbau einer geeigneten Kraftmeßdose im Federteller der Primärfeder am Drehgestellrahmen (s. Bild 16) kann mit Hilfe der Federsteifigkeiten, den Einbau Fe-dern gleicher Steifigkeitsklassen vorausgesetzt, über das Federgesetz der Einfede-rungsweg berechnet werden. Über die Verbindung aller vier Räder eines Drehgestells über den Drehgestellrahmen können mit Hilfe von zwei Meßstellen (je eine an der linken und an der rechten Seite der vorlaufenden Achse) die Kräfte der anderen, nachlaufenden Achse berechnet werden. Wenn diese Meßapplikation in Drehgestelle mit Blattfedern eingebaut werden soll, bestehen nicht zu unterschätzende Probleme. Als Einbauort bietet sich der Blattfederhalter in der Mitte der Blattfederpakete an. Hier können die Kräfte zentral gemessen werden. Allerdings sind Blattfedern stark nicht li-near und besitzen je nach Wartungszustand stark variierende Losbrechwiderstände
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bei Einfederung, so daß die Genauigkeit der Meßergebnisse nicht sehr hoch sein dürfte. Bei der Kraftmessung besteht der große Vorteil, das keine bewegten Teile eingebaut werden, sondern die Meßsensoren geschützt vor Umwelteinflüssen und mechani-schen Beschädigungen untergebracht sind. Somit sind Ausfälle, die auf diesen Ursa-chen beruhen weniger wahrscheinlich. Als bedeutender Nachteil steht dem jedoch entgegen, daß mit Kraftmeßeinrichtungen in die Festigkeitsauslegung des Fahrwerks eingegriffen wird und damit eine Neuab-nahme notwendig würde. Daher sind in diesem Fall recht hohe Zusatzkosten bei nachträglichem Einbau zu erwarten.
- Wegsensor innerhalb oder nahe bei der Primärfeder Wegmessungen im ungeschützten, rauen Bahnbetrieb haben den deutlichen Nachteil der Verwendung bewegter Teile. Diese können zwar durch eine geschickte Wahl des Einbauortes deutlich reduziert werden, jedoch besteht nach wie vor das Problem der höheren Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund mechanischer Probleme. Zur Auswertung wird prinzipiell dasselbe physikalische Gesetz wie bei der Messung der Kräfte in der Primärfederung angewandt. Da hier der Federweg gemessen wird, sind über diesen Aussagen über das Fahrzeuggewicht (indirekte Messung der Feder-kräfte) möglich.
- Direkte Abstandsmessung Durch Montage von Zusatzhaltern im Bereich des Drehgestellrahmens oberhalb des Achslagers können Abstandssensoren, die die Einfederung über die Induktivität einer Metallplatte messen oder ein ähnliches Meßprinzip benutzen, Aussagen über den Be-ladungszustand und fahrdynamisch auftretende Kräfte geben.
(Sensorvorschläge finden sich in Kapitel 6.5.3.5)
Federbruch Der Bruch einer Feder eines Drehgestells stellt aufgrund der extrem beeinträchtigten Fahrdynamik durch den Wegfall der Elastizitäten im Drehgestell einen äußerst kritischen Fall dar. Zu seiner Entdeckung können die im Kap. „Messung der Radaufstandskräfte“ bespro-chenen Methoden der Messung der Einfederung der Primärfeder oder der dann extreme Anstieg der Federkräfte oder die direkte Abstandsmessung, die unmittelbare Ergebnisse liefert, benutzt werden.
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Die Auswertung sollte durch Bildung von Korrelationen vorgenommen werden, da bei dem o.g. Konzept nur die erste und die letzte Achse eines Wagens mit Kraft- oder Weg-sensoren ausgerüstet ist. Über die Verbindung über den Drehgestellrahmen zwischen der ersten und der zweiten Achse eines Drehgestells, lassen sich Einflüsse gebrochener Federn an der zweiten Achse auch an der ersten Achse messen und als Federbruch im Drehgestell durch Er-kennen ungewöhnlich hoher Belastungen erfassen.
Entgleisung Da die Entdeckung einer Entgleisung gerade im Bereich Gefahrguttransport von beson-derer Bedeutung und Ihre Entdeckung ohne Hilfsmittel sehr schwierig ist und diese im übrigen meist von unkalkulierbaren Faktoren abhängt (Entdeckung bei Zugbegegnungen durch den anderen Lokführer oder durch Bahnhofspersonal bei Bahnhofsdurchfahrten), ist es sehr wichtig, diesen kritischen Zustand zuverlässig zu bestimmen. Die jüngsten Entwicklungen basieren auf dem von der Fa. Oerlikon-Knorr-AG entwickel-ten pneumatischen Entgleisungssensor (OKE EDT100) (s. Bild 17) /27/. Das Gerät be-steht aus den Hauptbauteilen Notbremsventil, Feder-Masse-Detektor und einer Anzeige-vorrichtung. Wird das Feder-Masse-System durch Einflüsse vom Fahrweg zu Schwin-gungen von mehr als 7,5g angeregt, wird die Hauptluftleitung wie bei einer Notbremsung entlüftet. Der wesentliche Nachteil dieses Produktes besteht jedoch darin, daß es keine Not-bremsüberbrückung bspw. für Tunnelabschnitte gibt, so daß eine Notbremsung in nicht oder nur schlecht evakuierbaren Abschnitten nicht auszuschließen ist.
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Bild 17: Entgleisungsdetektor EDT 100
Besser ist es daher, die rein mechanische Entdeckung zu verlassen, und statt dessen dieselben Kriterien (Vertikalbeschleunigung >7,5g) auf elektronischem Weg auszuwerten und den Bremsbefehl über eine Leitstelle dem Triebfahrzeugführer zukommen zu lassen. Die Entdeckung des entgleisten Zustands geschieht zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Beschleunigungssensors, dessen nachgeschaltete Auswerteelektronik die Beschleuni-gung von dauerhaft mehr als 7,5g erkennt. Die Auswerteelektronik wird an das Telematikmodul nur dann Meldungen abgeben, wenn das Entgleisungskriterium überschritten ist. Bis dahin arbeitet es als autarke Einheit und mißt in geringen zeitlichen Abständen (evtl. mit Meßpausen) die auftretende, aktuelle Vertikalbeschleunigung. Als Ergänzung für künftige Telematiksysteme ist eine Komponente denkbar, die die be-vorstehende Entgleisung in Ihren Anfängen bestimmen kann. Dazu sind die Kraft- bzw. Wegsensoren der Messung der Vertikalkräfte (s.o.) hervorra-gend geeignet, da mit ihrer Hilfe das Aufklettern des Spurkranzes auf den Schienenkopf entweder über einen einseitigen starken, ungewöhnlichen Kraftanstieg bzw. über eine einseitige starke Einfederung in Höhe des Spurkranzes diagnostiziert werden kann. Aufgrund der derzeit noch unbefriedigenden Energiesituation bei Verwendung von Ak-kumulatoren ohne Nachladetechnik, bei denen der Energieverbrauch auf ein Minimum zu beschränken ist, kann diese Meßeinrichtung erst realisiert werden, wenn bei den Eigen-tümern die Bereitschaft besteht, für ausreichend Energie des Telematiksystems zu sor-
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gen oder im Bereich der Solartechnik weitere Fortschritte in der Energieausbeute in Mit-teleuropa gemacht wurden. Im Gegensatz zur einfachen Entdeckung der bereits gesche-henen Entgleisung erfordert die Auswertung der Kraft- oder Wegsensoren dauernde Ü-berwachung und konsequente, hochfrequente Auswertung und den Vergleich mit in Test-fahrten verifizierten Kennfeldern, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten.
Erhöhte Transportbeanspruchung Eine andere Ausbaustufe des Telematiksystems ist in Form der Speicherung von Orten erhöhter Transportbeanspruchung durch den Fahrweg denkbar. Zu diesem Zweck ist es notwendig, die aus den gemessenen Vertikalkräften kommenden, unzulässig hohen Be-anspruchungen zusammen mit den vom GPS gewonnenen Positionsdaten auf einem nichtflüchtigen Speichermedium (Festplatte, EPROM,...) abzulegen und anschließend für künftige Fahrten auf diesem Streckenabschnitt zur Verfügung zu haben. Denkbar als Konsequenz der gemessenen, zu hohen Vertikalkräfte ist eine Senkung der maximal zu-lässigen Geschwindigkeit auf diesem Streckenabschnitt. Allerdings stellt diese Art der Auswertung, wie bereits mehrfach erwähnt, sehr hohe An-forderungen an die Verfügbarkeit von elektrischer Energie, da die Messungen und insbe-sondere die Auswertungen während der gesamten Fahrtdauer stattfinden müssen. Außerdem ist zu klären, wem die Daten zur Verfügung stehen sollen und wer ggf. ver-pflichtet ist, den Datenpool zu pflegen. Außerdem muß die Information den Triebfahr-zeugführern eines Zuges und den Leitstellen eines Streckenabschnitts zur Disposition der Strecke zugänglich gemacht werden.
Rad- bzw. Achsbruch Die Diagnose eines gebrochenen Rades oder einer gebrochenen Achse ist eine Erweite-rungsmöglichkeit des Telematiksystems, die für die Zukunft realisierbar scheint. Der Nut-zen dieses Telematikeinsatzes über die bereits vorgesehene Entdeckung einer Entglei-sung erscheint gering, da zu vermuten ist, daß mit der Feststellung von Beschleunigun-gen über 7,5g eine gesteuerte Zwangsbremsung ausgelöst wird. Für den Fall eines Bruchs eines tragenden Teiles des Fahrwerks sind mindestens Beschleunigungen in der Größenordnung einer Entgleisung zu erwarten. An Sensorik sollten entweder im Bereich der Achslager Beschleunigungssensoren vor-gesehen werden, oder es können, um Meßsensoren einzusparen, die Sensoren der Ent-gleisungsdetektion benutzt werden.
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Flachstellen / Unrunde Räder Zur Entdeckung von Flachstellen ist eine dauernde zeitliche Bewertung der aktuell auftre-tenden Beschleunigungen am Radlager erforderlich, da die durch Flachstellen bzw. un-runde Räder verursachten Kräfte in Form von Beschleunigungen am Radlager mit der Frequenz der Radumdrehungen meßbar sind. Als Meßeinrichtung sind Beschleunigungssensoren am Achslager sinnvoll, denen eine geeignete Auswerteelektronik nachgeschaltet ist, die in der Lage ist, die zeitliche Beurtei-lung vorzunehmen und ggf. das Telematiksystem über auftretende Flachstellen oder un-runde Räder zu informieren. Außerdem ist es zu diesem Zweck erforderlich, jedes Radlager (insgesamt 8 Stück) mit Sensorik zu bestücken, da sonst die Aussagefähigkeit stark eingeschränkt ist. Denkbar ist es auch, die vorgesehenen Kraft- bzw. Wegsensoren zur Auswertung heran-zuziehen, da über das Federgesetz mit nachgeschalteter Auswerteelektronik die Be-schleunigung am Radlager feststellbar ist. Allein dieser Aspekt zeigt, daß diese Diagnosemöglichkeit aus wirtschaftlichen Betrach-tungen nicht geeignet erscheint, da sie einen sehr hohen finanziellen und technischen Aufwand voraussetzt, der in einem schlechten Verhältnis zum Nutzen steht. Praktikabler erscheint es, in den Betriebswerkstätten Meßsensorik zur Erfassung von Flachstellen bei Einfahrt des Zuges zu installieren und Schäden dort im Anschluß an die Entdeckung zu beheben.
6.3.1.2 Heißläufer Zur Ortung von Heißläufern erscheinen zwei Strategien sinnvoll. Die erste benutzt die heute bereits streckenseitig vorhandenen Heißläuferortungsanla-gen. Dies ist bei außengelagerten Radsätzen problemlos möglich, da der beobachtete Bereich der Heißläuferortungsanlagen im Bereich der Außen-Radlager liegt. Eingeschränkt wird die Erkennbarkeit jedoch durch die bei Wälzlagern insgesamt gerin-gere Lagertemperatur als bei Gleitlagern und das steilere thermische Verhalten von Wälzlagern mit schnellerem Temperaturanstieg im Schadensfall sowie durch die geringe räumliche Verbreitung dieser Anlagen. Außerdem haben die Unglücke der vergangenen Monate gezeigt, daß heißgelaufene Achslager trotz der mehrfachen Überfahrt über orts-feste Anlagen nicht zuverlässig entdeckt worden sind. Die zweite basiert auf fahrzeugfesten Diagnosemethoden mit Hilfe von Sensoren. Dabei kann zwischen zwei prinzipiellen Lösungen unterschieden werden. Die eine ist als Nach-rüstsatz durch Befestigung von Thermosensoren auf der Lageraußenseite und einer se-
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paraten Auswerteeinheit mit Schwellwertgeber möglich, die andere erfordert den Aus-tausch der serienmäßigen Radlager durch Radlager mit integrierten Sensoren (s. Bild 18). Auch diese erfordert eine separate Auswerteelektronik mit Schwellwertgeber und ei-nen externen Anschluß an die Telematikeinheit.
Bild 18: Radsatzlager der Fa. SKF mit integriertem Sensor zur Erfassung von Tem-peratur , Geschwindigkeit und Drehrichtung
Den fahrzeugseitigen Lösungen ist gemeinsam, daß sie zur dauerhaften Messung einen relativ hohen Strombedarf haben und die nachgeschaltete Auswerteelektronik dauernd aktiv sein muß. Als Konsequenz bietet es sich an, die Temperaturmessungen nur in grö-ßeren zeitlichen Abschnitten (mehrere 10 Minuten) durchzuführen, solange keine erhöh-ten Meßwerte registriert werden. Werden diese aber registriert, ist eine Erhöhung der Meßfrequenz (Minutentakt) oder eine Dauermessung sinnvoll. Während der normalen Betriebsphase könnte bei diesem Konzept die Auswerteelektronik und der Sensor im stromsparenden Stand-by-Betrieb laufen.
6.4 Bremstechnik
6.4.1 Bremsprobe Da die Technik der heute durchgeführten Bremsproben noch wie zu den Anfangszeiten der Eisenbahntechnik durch vorwiegend optische Kontrollen durchgeführt wird, bietet sich mit dem Einsatz von Telematiksystemen die Möglichkeit, die Bremsprobe zu auto-matisieren. Außerdem wird bei einer automatischen oder teilautomatischen Bremsprobe der Fehlerfaktor Mensch (Routine in der Beobachtung der Bremse, „schlechter Tag“, etc.) weitgehend ausgeschlossen.
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Das Telematiksystem soll in Vollausbaustufe in der Lage sein, auf Befehl von außen bzw. in Kombination mit Unterscheidung der Druckzustände in der Hauptluftleitung die Bremsprobe automatisch für jeweils einen Wagen durchzuführen. Vor der Bremsprobe bzw. nach dem Abschluß der Bremsprobe soll das System in den Stand-by-Betrieb schalten, um den Stromverbrauch zu minimieren. Bei Erfolg bzw. Mißerfolg der Bremsprobe ist ein akustisches und/oder optisches Signal und eine Fehlermeldung per Funk an eine Leitstelle zu geben. Dort sollte der Erfolg der Bremsprobe protokolliert werden (die Telematiksysteme erhalten zur Identifizierung die-selbe ID-Nummer wie die zugehörigen Wagen). In den niedrigeren Ausbaustufen werden nur Bauteile, die Rückschlüsse auf das Funkti-onieren der Bremsanlage zulassen, diagnostiziert. Dazu zählt in erster Linie der Bremszylinder, dessen absoluter Druck Aussagen über die Wirksamkeit der Bremsanla-ge und dessen zeitlicher Druckaufbau Aussagen über den Wartungszustand der Brem-sanlage zuläßt. Die zeitlichen Parameter einer erfolgreichen Bremsprobe sind so zu bestimmen, so daß Abweichungen von diesen in Form einer zeitlichen Verzögerung Aufschluß über mecha-nische oder pneumatische Probleme geben können. Ein weiterer Vorteil der automati-sierten Bremsprobe ist ihre Schnelligkeit durch den Wegfall des dreimaligen Begehens des Zuges und v.a. ihre Zuverlässigkeit und Protokollierbarkeit. Damit kann die Verfüg-barkeit des Wagens deutlich erhöht werden.
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Der heutige Ablauf einer vollständigen Bremsprobe ist auf den folgenden Bildern darge-stellt:
Bild 19: Ablauf der Bremsprobe bei Güterwagen (1) /28/
Bild 20: Ablauf der Bremsprobe bei Güterwagen (2) /28/
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Bild 21: Ablauf der Bremsprobe bei Güterwagen (3) /28/
6.4.2 Ausbaustufen der Bremsdiagnose
6.4.2.1 Ausbaustufe 1 (Überprüfung des Bremszylinderdrucks) Mit Hilfe eines Drucksensors kann bei dem von der Lok oder der Leitzentrale kommende Befehl „Anlegen“ oder „Lösen“ überprüft werden, ob sich der zum Kolbenweg gehörende Druck in den Bremszylindern einstellt. Gleichzeitig ist eine optische Signalisierung mit Hil-fe des traditionellen Schaufensters in dem die Farbe von grün nach rot und umgekehrt in Abhängigkeit des anliegenden Druckes wechselt sinnvoll, so daß auch außenstehende Personen die Bremsprobe überwachen können. Hierbei kann der zeitliche Verlauf des Bremsdrucks Hinweise auf Wartungs- oder Repa-raturbedarf geben. Als anschauliches Beispiel soll die Vorschrift des UIC-Merkblattes 540 in graphischer Form dienen. Auffallend ist, daß es einen Normalzustand, einen Zustand notwendiger Wartung und einen Zustand notwendigen Eingriffs gibt, die sich jeweils um den Normalzustand herum befinden (vgl. Bild 22). Werden die zeitlichen Informationen für das Anliegen der Bremsdrücke ausgewertet und gespeichert, können sowohl für die vorausschauende Instandhaltung (z.B. „Gestänge ist schwergängig“) als auch für die Ge-fahrenmeldung (z.B. „Gestängebruch“) wertvolle Informationen gewonnen werden.
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Bremszylinder-füllzeit
Bremszylinderdruck [%]
t1
t2
95 100
Normaler Betriebszustand
Wartungseingriff
Gefährlicher Zustand(Meldung)
Zustandsräume für die Bremsdruckdiagnose
Bild 22: Zustandsräume der Bremsdiagnose
6.4.2.2 Ausbaustufe 2 (Anwendung von Kontakten in den Bremsklotzsohlen) Im Gegensatz zur Bremsüberwachung mittels Drucksensor im Bremszylinder soll bei die-ser Variante zusätzlich das Anlegen der Bremsklötze bei der Bremsprobe überwacht werden. Durch die Integration von verschleißenden Sensoren in den Bremsbelägen (ähnlich Bild 23) kann beim Anlegen der Bremsen sowohl das Anlegen als auch das Vorhandensein der Bremseinrichtung und das korrekte Funktionieren überprüft werden. Dabei wird je-desmal bei der Auslösung der Bremsprobe das Anliegen der Bremsbeläge und damit ihr Vorhandensein überprüft. Zusätzlich kann auch hier das zeitliche Verhalten erfaßt und gemäß Bild 22 bewertet werden.
Als Vorstufe dieser Lösung ist der Einbau von Verschleißindikatoren (vgl. Bild 23) zur Verlängerung bzw. Optimierung der Wartungsintervalle der Bremsbeläge möglich. Hier-bei wird beim Bremsen solange keine Meldung ausgelöst bis der Bremsbelag soweit an Stärke verloren hat, daß der eingesetzte metallische Sensor beim Anlegen der Bremsen Kontakt zur Lauffläche bzw. zur Bremsscheibe hat, so daß ein geringer Strom fließen kann und im Telematiksystem ein Merker für den baldigen Austausch dieses Bremsklot-zes gesetzt wird.
6.4.2.3 Ausbaustufe 3 (Volldiagnose der Bremsanlage) Werden die unter den Ausbaustufen 1 und 2 genannten Lösungen kombiniert, kann da-mit das Bremssystem vom Bremszylinder bis zum Bremsklotz auf eine einwandfreie Funktion überwacht werden, ohne daß Korrelationsfunktionen gebildet werden müssen. Zusätzlich können innerhalb des Bremsgestänges an verschiedenen Stellen Wegsenso-ren befestigt und damit das korrekte Funktionieren der Bremsanlage überwacht werden. Wird ferner im Befestigungspunkt des Bremsbelages die Betätigungskraft gemessen, können zusätzlich Aussagen über das gesamte Bremssystem vom Bremszylinder bis zum Bremsbelag gemacht werden. Erste Erfahrungen der Fa. Schindler Waggon haben jedoch gezeigt, daß zur Einrichtung dieses Systems viel Aufwand betrieben werden muß, da der Normalzustand in weiten Bereichen streut und somit durch umfangreiche Testfahrten ein Kennfeld für die Compu-terauswertung erst erarbeitet werden muß. Außerdem ist der Normalzustand auch über die Lebensdauer eines Wagens Veränderungen unterworfen.
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6.4.2.4 Ausbaustufe 4 (Dauernde Überprüfung der Bremsen während der Fahrt im Sinne eines UDS)
In einem ersten Einsatz sind die o.g. Ausbaustufen der Bremsdiagnostik, auch unter dem Aspekt geringer zur Verfügung stehender Energie des Diagnosesystems, nur für den Er-satz der derzeit sehr häufigen und zeitraubenden manuellen Bremsprobe gedacht. Wird jedoch der energetische Rahmen erweitert, besteht die Möglichkeit, das Bremssys-tem während der ganzen Fahrt zu überwachen. Ebenso ist es möglich, mit den daraus gewonnenen Daten das Handeln des Triebfahr-zeugführers und das korrekte oder inkorrekte Funktionieren der Bremsanlage aufzu-zeichnen und ggf. nachzuweisen.
6.4.3 Lastabhängige Bremssteuerung In Ergänzung zu den o.g. Systemen die auf dem System der traditionellen Druckluft-bremse basieren, kann das System durch Einsatz von elektronisch gesteuerten Brems-ventilen unter Verwendung ausreichender elektrischer Energie in Hinblick auf die Brems-steuerung optimiert werden. Dies ist jedoch nicht Gegenstand dieser Studie.
6.5 Sensoren
6.5.1 Grundlagen In diesem Unterkapitel werden die für die Sensorik, die sich im Schienengüterverkehr zu Diagnosezwecken einsetzbar ist, relevanten Sensorwirkprinzipien beschrieben. Tabelle 2 gibt einen Überblick über mögliche Sensorwirkprinzipien für die zu diagnostizierenden Größen.
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Tabelle 2: Überblick über die projektrelevanten Diagnose- und Meßgrößen sowie die dazu passenden Sensorwirkprinzipien
Verschleißsensor Bremse Weg, Kontakt induktiv, kapazitiv, magnetostriktiv, potentiometrisch
Gewichtsbestimmung der Wagen Kraft, Weg piezoresistiv, piezoelektrisch, induktiv, kapa-zitiv, magnetostriktiv, potentiometrisch
Ladegutverschiebung Kraft, Weg piezoresistiv, piezoelektrisch, induktiv, kapa-zitiv, magnetostriktiv, potentiometrisch
Federbruch Kraft, Weg piezoresistiv, piezoelektrisch, induktiv, kapa-zitiv, magnetostriktiv, potentiometrisch
Entgleisungsvorhersage Weg induktiv, kapazitiv, magnetostriktiv, poten-tiometrisch
6.5.1.1 Piezoresistive Sensoren Prinzip: Die Formänderung eines Leiters unter Einfluß einer mechanischen Kraft verän-dert den elektrischen Widerstand des Leiters. projektrelevante Meßgrößen: Statische (ab 0 Hz) und dynamische Messungen von Kraft, Druck, Beschleunigung. Ausführungen: 1. Metallfolien-DMS, 2. Halbleiter-DMS (höhere Empfindlichkeit im Vgl. zu 1.), 3. Keramische DMS, 4. Metall-Drucksensor (Membran aus Metall ohne DMS, DMS über Metall-Federkörper,
Stößel etc. mit Membran gekoppelt; sehr zuverlässig, hohe Überlastsicherheit wg. Duktilität des Metalls)
6.5.1.2 Piezoelektrische Sensoren Prinzip: Die Formänderung eines Leiters unter Einfluß einer mechanischen Kraft induziert eine elektrische Polarisation (meßbare Oberflächenladung entsteht) in ferroelektrische
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oder nichtferroelektrische kristalline Werkstoffe (Bsp.: Quarz). Grundsätzlich mißt ein pie-zoelektrischer Sensor nur Kräfte (Druck und Beschleunigung durch Größenwandlung mit Membran bzw. seismischer Masse). projektrelevante Meßgrößen: Nur dynamische Messungen (wobei es Sensoren ab 0,1 Hz gibt) von Kraft, Druck, Beschleunigung. Vorteile: - mechanisch sehr starr → geringe Auslenkung einer Membran erforderlich → stabile
Konstruktion, geringe Hysterese, - niedriger Temperaturkoeffizient, - keine äußere Spannungsversorgung nötig, aber empfindliche elektronische Weiter-
verarbeitung, - hoher Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Nachteile: - Abbau der Spannung innerhalb von Sekunden bis Stunden, deshalb hochohmige Iso-
lation und Signalverstärkung. Eignung mehr für Änderungen von Kraft, Druck und Be-schleunigung, weniger für statische Messungen.
6.5.1.3 Induktive Sensoren Prinzip: Die Verschiebung eines hochpermeablen Kerns innerhalb oder außerhalb einer Spulenwicklung unter Einfluß einer mechanischen Kraft verändert die Induktivität der Spule. projektrelevante Meßgrößen: Weg (Drossel- oder Tauchankerprinzip), Druck
6.5.1.4 Kapazitive Sensoren Prinzip: Die Verschiebung einer Kondensatorplatte unter Einfluß einer mechanischen Kraft verändert die Kapazität eines Kondensators (Plattenabstand, Plattenfläche). projektrelevante Meßgrößen: Weg, Druck
6.5.1.5 Magnetostriktive Sensoren Prinzip: Änderung des elektrischen Widerstandes eines Leiters aufgrund eines angeleg-ten äußeren Magnetfeldes. projektrelevante Meßgrößen: Weg
6.5.1.6 Potentiometrische Sensoren Prinzip: Die Meßgröße verstellt den beweglichen Kontakt eines Potentiometers. projektrelevante Meßgrößen: Weg
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6.5.2 Meßgrößen In diesem Unterkapitel werden für die im Projekt relevanten Meßgrößen die technischen Parameter der verfügbaren Industriesensoren dargestellt. Für jede Meßgröße wird ein repräsentativer Lieferantenkreis angegeben.
6.5.2.1 Druck Meßbereich: 0 bis 200 bar Ansprechschwelle 0,5 bis 100 mbar Berstdruck: ca. 2,5 * Meßbereich Empfindlichkeit: 500 bis 2,5 mV/bar Eigenfrequenz: >14 kHz Stromverbrauch: <10 mA Sonstiges: bis 1000g stoßfest
6.5.2.2 Kraft Meßbereich: 0 bis 5 MN Schock Limit: bis ca. 400% über Meßbereich Temperaturbereich: mind. –30 bis +85°C
6.5.2.3 Beschleunigung Meßbereich: bis 50.000 g Schock Limit: bis 100.000 g Temperaturbereich: mind. –40 bis +60°C Frequenzbereich: 1 (0,1) Hz bis 15 kHz Eigenfrequenz: > 2,5 kHz Stromverbrauch: 2 bis 10 mA Montage: Stecker, Kleber, Schraube, Adapter/Stutzen
6.5.2.4 Weg Meßbereich: 25 mm bis 7600 mm Auflösung: analog: unendlich; digital: bis 2 µm Nichtlinearität: <± 0,02% vom Endwert (temperaturunabhängig) Hysterese: < 4 µm Betriebstemperatur: -40° bis 75°C Betriebsspg.: 24 V
6.5.2.5 Temperatur Meßbereich: -200 bis 1600°C Nichtlinearität: ± 0,5 bis ± 1,0°C
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6.5.3 Parameterüberwachung der Diagnose
6.5.3.1 Bremsdiagnose Gemessen wird der Druck am Bremszylinder der Bremsanlage (1 pro Wagen), wobei bei 3,5 bar gebremst und bei 0 bar nicht gebremst wird. Weiterhin soll der Druckabfall bzw. Druckanstieg im Bremszylinder gemessen werden. Dadurch werden Aussagen über die Abnutzung der Bremsanlage ermöglicht. Weitere Diagnosemöglichkeiten zusätzlich zur Druckmessung in der Hauptleitung bietet die Messung des Abnutzungsgrads der Bremsbacken mit Hilfe eines Verschleißsensors ähnlich wie beim Pkw. Der Abnutzungsgrad der Bremsbacken wird entweder durch die Messung der Dicke der Bremsbacken oder bei Erreichen einer Minimaldicke durch einen in der Bremsbacke in-tegrierten Kontakt diagnostiziert. Weitere Diagnosemöglichkeiten zusätzlich bietet die Messung der Bremsgestängewege durch einen Wegsensor (mögliche Sensorauswahl: siehe 6.5.3.5) und/oder der Betäti-gungskraftmessung am Bremsbelaghalter durch einen Kraftsensor (mögliche Sensor-auswahl: siehe 6.5.3.5).
6.5.3.2 Entgleisung Die Entgleisung wird über die Messung der Vertikalbeschleunigung an den Wagenenden (2 Beschleunigungssensoren pro Wagen) gemessen. Beim Überschreiten eines Grenz-wertes von 7,5g wird über das Telematiksystem und die Alarmierungszentrale eine Mel-dung an den Triebfahrzeugführer gegeben; es erfolgt dabei keine Zwangsbremsung. Zusätzlich zur Detektion der Entgleisung kann eine vorausschauende Entgleisungsdetek-tion evaluiert werden. Das kann z.B. durch Messung der Kraft oder des Weges an der Primärfeder erfolgen, wobei beide Größen an den vorlaufenden Achsen eines Wagens mit insgesamt 4 Sensoren pro Wagen gemessen werden (gleiches Sensorsystem wie in 6.5.3.5). Dadurch wird es möglich, eine eventuell eintretende Entgleisung schon vor ih-rem Auftreten zu diagnostizieren.
6.5.3.3 Achslagertemperatur Durch Messung der Achslagertemperatur wird ein Heißläufer erkannt. Die Temperatur kann durch verschiedene Sensoren wie Platinwiderstände, NTC oder Thermoelemente gemessen werden. Der Temperatursensor wird am Achslager z.B. durch Kleben mon-tiert.
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6.5.3.4 Ladegutüberwachung Im Inneren des Güterwagens werden folgende Meßgrößen überwacht: • Druck, • Temperatur, • Luftfeuchtigkeit, • Bewegung und • weitere für Spediteur interessante Größen.
6.5.3.5 Gewichtsbestimmung der Wagen Das Gewicht der Wagen wird durch zwei Sensoren an der vorlaufenden Achse eines Drehgestells gemessen (4 Sensoren pro Wagen). Die Sensoren messen den Federweg einer Primärfeder oder die auf sie wirkende Kraft.
6.5.3.6 Ladegutverschiebung Aussagen über eine Ladegutverschiebung werden über das gleiche Sensorsystem für die Gewichtsbestimmung in 6.5.3.5 getroffen.
6.5.3.7 Federbruch Aussagen über einen Federbruch werden über das gleiche Sensorsystem wie für die Gewichtsbestimmung in 6.5.3.5 getroffen.
6.5.3.8 Längsstoßüberwachung Die Längsstoßüberwachung wird mit einem Beschleunigungssensor in Fahrtrichtung ü-berwacht. Es können die gleichen Sensoren verwendet werden wie in 6.5.3.2 vorge-schlagen.
6.5.3.9 Life Cycle Betrachtung Durch Anpassungsprozesse wie Wartung, Reparatur und Aufarbeitung kann die Nutzen-produktivität von Ressourcen erhöht werden. Kenntnisse über Art, Menge, Aufbau und Zustand des helfen den Aufwand für die Instandhaltung zu senken. Das vorgeschlagene Diagnosesystem ist in der Vollversion ein System zur optimalen Bereitstellung und Ver-wendung von Produktdaten vor, während und nach der Nutzungsphase des Güterwa-gens. Durch genaue Kenntnis der Abnutzung einzelner Komponenten wie Bremsen oder Primärfederung ergeben sich verschiedene hier nur stichpunktartig beschriebene Vorteile zur Senkung der Lebensdauerkosten (Life-Cycle-Costs = LCC):
• Senkung der Ersatzteilkosten (weg von der Bevorratung von Ersatzteilen aufgrund von Erfahrungswerten hin zu einer bedarfsorientierten Bevorratung),
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• Berechnung der Restlebensdauer, • bessere Schwachstellenanalysen, • bedarfsgerechter Austausch von Verschleißteilen, d.h. Schadensminderung durch
Früherkennung sowie längere Betriebsbereitschaft durch Fristverlängerung, • Disponieren von Werkstattaufenthalten durch genaue Kenntnis des Reparaturbedarfs, • schnelle Rückführung in Dienst durch optimale Werkstattauslastung, • einfache Fehlerlokalisierung, • Erhöhung der Verfügbarkeit durch Verringerung der Stillstandszeiten und • Verhaltensbeeinflußung durch beanspruchungsgerechten Gebrauch. Alle diese Einzelvorteile führen zu einer Senkung der Instandhaltungskosten durch In-standhaltung nach Befund anstatt durch eine planmäßige Instandhaltung.
6.6 Signalauswertung
6.6.1 Allgemein
6.6.1.1 Signalverarbeitung Die Eigenschaften einer Signalverarbeitungsschaltung hängen von der zugrundeliegen-den Schaltungsstruktur ab. Im wesentlichen sind im Bereich der Signalverarbeitung drei Schaltungsstrukturen bekannt. Diese sind die Kettenstruktur, die Parallelstruktur und die Schleifenstruktur. Bei der Kettenstruktur ergibt sich der Übertragungsfaktor einer Kette von Übertragungs-gliedern aus den Übertragungsfaktoren der einzelnen Glieder.
E1 E2 E3
Xe1 Xa1=Xe2 Xa2=Xe3 Xa3
Empfindlichkeit:Eges=E1*E2*E3
Ausgangssignal:Xa3=(E1*E2*E3)*X e
Bild 24: Kettenstruktur
Bei der Parallelstruktur ergibt sich der Übertragungsfaktor einer Anordnung durch Sub-traktion und/oder Addition der Ausgangssignale der einzelnen Schaltungsblöcke.
Die Ketten- und Parallelanordnung kann zur Kompensation von parasitären Effekten (Quereffekten), zur Linearisierung und zur Signalverstärkung benutzt werden. Die Schleifenstruktur entspricht einem Schaltkreis mit negativer Rückkopplung. Diese Signalverarbeitungsstruktur wird im Bereich der Mikrosensorik häufig für Beschleuni-gungssensoren eingesetzt, die über eine seismische Masse verfügen.
E1
Xe-XgXa
E2
+-
Xg Xa
Xe
Ausgangssignal:Xa=(Xe-Xg)*E1=(Xe-E2*Xa)*E1
Bild 26: Schleifenstruktur
6.6.1.2 Signalverstärkung und Signalwandlung Die wichtigste Aufgabe der Signalverarbeitung von Sensoren ist die Verstärkung von teilweise sehr kleinen und entsprechend störempfindlichen Signalen. Daneben erfüllt die Signalverstärkung noch Aufgaben wie die elektrische Anpassung des Verstärkers an den Sensor, die Unterdrückung von Gleichtaktsignalen, Rauschen, Genauigkeit und Lineari-tät. Das Grundelement der Signalverstärkung ist der Operationsverstärker (OP). Häufig verwendete Schaltungstechniken für Sensoraufgaben sind: Switched Capacitor (SC) Technik, Pulsweiten-, Frequenzmodulation und Sigma-Delta Wandler. zu 1) Die Vorteile der SC-Technik ergeben sich in der Genauigkeit der Schaltung, da als einzi-ges nichtaktives Element Kondensatoren verwendet werden, d.h. daß Widerstände durch Kondensatoren ersetzt werden. Dadurch wird z.B. eine Zeitkonstante nicht mehr durch die Genauigkeit eines Widerstands (welcher sich mikroelektronisch schwerer als ein Kondensator genau herstellen läßt), sondern durch die Genauigkeit eines Kapazitätsver-
68
hältnisses und die Genauigkeit eines Taktsignals bestimmt. Ein weiterer Vorteil der SC-Technik liegt in der Fähigkeit der Verarbeitung kleinster Signale, da die Eingangsspan-nung einer Verstärkerstufe nach dem Aufladen des Kondensators nicht mehr durch einen Strom belastet wird. zu 2) Das Prinzip der Umwandlung einer Meßgröße in eine zur Meßgröße proportionale Fre-quenz wird realisiert, indem das von der Meßgröße beeinflußte Schaltkreiselement eine frequenzbestimmende Funktion in einem Oszillatorschaltkreis ausübt. Als sensorische Elemente können z.B. piezoresistive Widerstände zur Druck- oder Beschleunigungsmes-sung oder druckabhängige Kapazitäten dienen. Zur Frequenzerzeugung können harmo-nische Oszillatoren oder Ringoszillatoren zur Anwendung kommen. Eine weitere Klasse von Oszillatoren sind die sogenannten Relaxationsoszillatoren, deren Schwingungser-zeugung durch das periodische Umladen einer Kapazität zwischen zwei Spannungspe-geln erfolgt. zu 3) Durch Einfügen einer Zeitdiskretisierung im Rückkopplungszweig eines Pulsweitenmodu-lators entstehen Sigma-Delta A/D-Wandler. Beim Ausgangssignal dieser Wandler han-delt es sich um ein zeitdiskretes, pulsweitenmoduliertes Signal. Die Zeitdiskretisierung im Rückkopplungszweig kann im einfachsten Fall durch Takten des Komparatorausgangs-signals mit einem Flip-Flop erfolgen. Da nun das Signal für die Rückkopplung von digita-ler Art ist, kann man den Rückkopplungszweig als 1-Bit D/A-Wandler ansehen. Da bei Sigma-Delta A/D-Wandlern alle Schaltvorgänge, insbesondere das Umschalten im Rückkopplungszweig, taktsynchron stattfinden, sind diese Wandler weniger störanfäl-lig gegenüber periodischen Störungen, die in Form von „Spikes“ oft durch Taktsignale verursacht werden.
6.6.1.3 Übertragungsprotokoll Die zukünftige Erhöhung des Funktionsumfangs von Mikrosensoren bezieht sich auf Funktionen wie Selbstkalibrierung, erweiterte, integrierte Signalverarbeitung bis hin zu
Mikroprozessoren, Businterface, Multisensoranwendungen und Funktionen wie Selbstdi-agnose oder Selbsttest. Existierende Feldbus- und Sensorbus-Protokolle, welche für nichtintegrierte Systeme entwickelt wurden, sind oftmals für die Anwendung bei integrierten Mikrosensoren als zu kompliziert anzusehen. Deshalb sollte ein Busprotokoll für integrierte Sensoren sich an folgenden Forderungen orientieren: - geringer Schaltungsaufwand des Busprotokolls, - minimale Anzahl von Leitungen, - große Anzahl an zu betreibenden Sensoren, - kein Quarzoszillator auf dem Sensorchip,
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- Datenrate größer 1 MBit/s, - Übertragungsstrecke bis zu 50m Die Forderungen nach einer Datenrate von größer als 1 MBit/s, einer Ausdehnung des Übertragungsmediums von einigen zehn Metern und einer ausreichenden Anzahl an zu betreibenden Sensoren beziehen sich vor allem auf mögliche Anwendungen der Mikro-sensorik z.B. im Schienenverkehrsbereich. Die Forderungen nach einem geringen Schal-tungsaufwand, einer minimalen Zahl von Leitungen und dem Fehlen eines Quarzoszilla-tors auf dem Sensorchip ergeben sich aus den Randbedingungen bezüglich der Realisie-rung elektronischer Schaltungen bei integrierten Sensoren. Zur Realisierung eines Kommunikationsinterface für integrierte Sensoren existieren ver-schiedene Vorschläge. Das ist zum einen der IS2 -Bus (Integrated-Smart-Sensor-Bus) und der I2C-Bus (Inter-Integrated-Circuit-Bus). Beide Vorschläge sind sehr ähnlich, wobei die Sensoren neben der Spannungsversorgung mit einer Takt- und einer Datenleitung versehen sind. Während einer Taktperiode („l“- und „0“-Impuls) lassen sich auf der Datenleitung die vier Zustände „Ruhe“ (idle), „Fehler“ (error), „0“ und „1“ codieren, die zum digitalen Datenaustausch dienen. Darüber hinaus ist es beim IS2-Bus möglich, daß ein Sensor ein analoges Signal auf der Datenleitung ausgibt, während das Taktsignal dauerhaft auf „1“ gelegt wird.
6.6.1.4 Bussysteme Die Vernetzung von Sensoren ist bisher überwiegend durch Punkt-zu-PunktVerbindun-gen realisiert. Jeder Sensor ist durch eine Einzelverbindung mit der jeweiligen Steuerung verknüpft. Dadurch entstehen Kabelbäume, die viel Platz benötigen, nur bedingt größere Entfer-nungen überbrücken können und relativ anfällig gegenüber elektromagnetischer Ein-strahlung sind. Diese Verkabelungstechnik erweist sich auch als unflexibel bei System-änderungen bzw. -erweiterungen. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß die Infor-mation von Meßwertgebern oder Schaltern immer nur einer Steuerung zugänglich ist. Diese Problematik läßt sich durch den Einsatz von Feldbussystemen lösen. Grundsätzlich gibt es Parallele und Serielle Busse. Zu den Parallelen Bussystemen ge-hören der IEC- und der VME-Bus. Die wichtigsten Seriellen Busse sind der Profibus, der Interbus-S, der CAN-Bus und das AS-Interface. Nachfolgende Tabelle gibt eine Über-sicht über diese Bussysteme im Vergleich zum DIN-Meßbus.
70
Läng
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Dat
en-
rate
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l
Zuga
ngs-
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ng
Tele
-gr
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tri-
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Ü
bert
ra-
gung
s-m
ediu
m
Profibus 200m 1200m 1900m
500kBit/s 90kBit/s 31kBit/s
122 max. 32 Master
Token pas-sing für akti-ve, Polling für passive Teilnehmer
6.6.1.5 Elektrische Schnittstellen Analoge Sensorsignale werden über die definierten Signalpegel 0 bis 20mA, 4 bis 20mA und 0 bis ±10V übertragen. Die Ankopplung über ein 0 bis 20mA Pegel hat den Nachteil, daß ein Signalpegel von 0mA oder nahe Null nicht nur ein kleines Sensorsignal, sondern auch einen Neben- oder Kurzschluß bedeuten kann. Eine Stromakopplung mit einem 4 bis 20mA Pegel hat gegenüber einer Spannungsankopplung (0 bis ±10) den Vorteil der höheren Störsicherheit. Als Nachteil gegenüber einer Spannungsankopplung kann man den höheren Strombedarf einer Stromschleife ansehen. Für digitale Sensorsignale wird oft die digitale 20mA-Stromschleife benutzt, um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu realsieren. Folgende Pegel sind definiert: Logisch 0: 0mA ≤ I ≤ 3mA Logisch 1: 14mA ≤ I ≤ 20mA
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6.6.1.6 Telemetrie Die drahtlose Übermittlung von Meßwerten von einem Informationssender zu einem In-formationsempfänger wird als Telemetrie bezeichnet. Diese Informationen sind in der Regel technische Meßwerte. Zur Übertragung von Signalen (z.B. Meßwerten) kann das Originalsignal nicht direkt in elektromagnetische Wellen umgewandelt werden. Im allgemeinen sind die Frequenzen von technisch interessanten Signalen so niedrig, daß man zu deren Übertragung sehr große Antennen benötigen würde. Außerdem werden lange elektromagnetische Wellen von der Atmosphäre reflektiert. Deswegen werden sehr kurze elektromagnetische Wellen als Träger verwendet. Sie werden auf der Senderseite in geeigneter Weise manipuliert. Diese Manipulation wird durch das Originalsignal gesteuert. Auf der Empfängerseite wird dann diese Manipulation rückgängig gemacht und dabei das Originalsignal zurückge-wonnen. Diese Manipulation wird Modulation genannt.
Modulation analoger Signale
Amplitudenmodulation (AM): Bei der Amplitudenmodulation wird, wie der Name schon andeutet, die Amplitude des Trägers manipuliert. Der Träger schwingt kontinuierlich mit einer festen Frequenz, aber die Amplitude ist nicht konstant, sondern eine Funktion des Originalsignals.
Bild 27: Darstellung der Amplitudenmodulation
Frequenzmodulation (FM): Ähnlich der Phasenmodulation aber im Gegensatz zur Amplitudenmodulation bleibt bei der Frequenzmodulation die Amplitude des Trägers konstant. Der momentane Wert des Originalsignals beeinflußt, wie in Bild 28 dargestellt, die Frequenz des Trägers.
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Bild 28: Darstellung der Frequenzmodulation
Phasenmodulation (PM): Analog zur Frequenzmodulation bleibt bei der Phasenmodulation die Amplitude des Trä-gersignals konstant. Das Originalsignal bewirkt eine Veränderung der Phase des Trä-gers.
Bild 29: Darstellung der Phasenmodulation (oben: Originalsignal, unten: modulier-te Trägerwelle.
Modulation digitaler Signale Neben den analogen Modulationsarten existieren eine Reihe Modulationsverfahren für digitale Signale. Diese lassen sich in zwei Kategorien unterteilen:
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1) Modulation digitaler Signale auf digitale Signale 2) Modulation digitaler Signale auf analoge Signale Die Modulation digitaler Signale auf digitale Signale dient der Erhöhung der Übertra-gungssicherheit durch eine Verbesserung der Synchronisation. Dazu gehört die Pulsco-demodulation. Die Modulation digitaler Signale auf analoge Signale ermöglicht eine Ü-bertragung durch Funk.
Pulscodemodulation (PCM) Die Pulscodemodulation wandelt eine Pulsfolge (digitales Signal) in eine andere Pulsfol-ge um. Es dient der Vermeidung von mehreren Bits, die nacheinander gleich bleiben. Es ist technisch ein Problem, Sender und Empfänger synchron zu halten. Folgen in einem Datenstrom sehr viele „1“ oder „0“ Zustände hintereinander, dann wird die Erkennung ei-nes „0“ oder „1“ Zustandes immer schwieriger. Aus diesem Grund ist es sehr hilfreich, wenn in einem Datenstrom sehr viele Pegelsprünge vorkommen. Es existieren viele PCM Formate für unterschiedliche Übertragungsmedien. Einer dieser Formate, die bei Funk-übertragungen oft angewandt wird ist das Bi-φ-L Format. Bei diesem Format wird gewährleistet, daß jede Bitperiode ein bis zwei Pegelsprünge enthält. Jede „1“ wird in eine absteigende Flanke umgewandelt. Umgekehrt wird jede „0“ in eine aufsteigende Flanke umgewandelt (Bild 30).
Bild 30: Pulscodemodulation
Modulation digitaler Signale auf analoge Signale: Diese Modulationsarten beschreiben Sonderfälle der bekannten analogen Modulations-verfahren wie AM, FM oder PM. Das zu modulierende Originalsignal ist in den meisten Fällen eine binäre Pulsfolge. Das Eingangssignal kann also nur bestimmte diskrete Wer-te annehmen. Dadurch vereinfacht sich auch die Modulation und Demodulation. Erfolgt die Modulation der Pulsfolge durch die Amplitudenmodulation, so spricht man von einer Amplitudenumtastung (ASK), bei FM von Frequenzumtastung (FSK) und bei PM von Phasenumtastung (PSK).
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Bei niedrigen Bitraten können alle drei Methoden direkt zur Modulation des Hochfre-quenzträgers verwendet werden. Bei hohen Bitraten dagegen wird damit zunächst ein Unterträger moduliert.
6.6.2 Prozeßleitsysteme Prozeßleitsysteme Prozeßleitsysteme leiten komplizierte Prozesse wie ein Kernkraftwerk oder eine Abwasserreinigungsanlage. Sie bestehen hardwareseitig aus einer Zentral-rechnerbaugruppe, verschiedenen vom Prozeß bestimmten sog. Anschaltbaugruppen und Peripherisbaugruppen wie Spannungsversorgung oder Kommunikationsbaugruppen. Alle Baugruppen befinden sich zentral in einem oft telefonzellengroßen Automatisie-rungssystem (Schrank, in dem alle Baugruppen zusammengefaßt sind). Bei den An-schaltbaugruppen gibt es verschiedene analoge und digitale Baugruppen, diverse Reg-lerbaugruppen, Steuerbaugruppen für Aggregate wie Ventile und Motoren, auf spezielle Sensoren wie NTCs zugeschnittene Baugruppen usw. Bei sicherheitsbedürftigen Anwendungen wie einem KKW sind zur Redundanz meistens alle Komponenten doppelt vorhanden. Gängige Prozeßleitsysteme gibt es von ABB, AEG, Honeywell oder Siemens (Teleperm). Beispielhaft soll das Prozeßleitsystem MITRAC vorgestellt werden. Im Gegensatz zu ei-nem typischen Prozeßleitsystem sind bei MITRAC die Baugruppen (in MITRAC Module genannt) dezentral verteilt, d.h. die Zentralrechnerbaugruppe (bei MITRAC: Modul VCU) und die verschiedenen Anschaltbaugruppen (Module COMC, DX, DI usw.) befinden sich abhängig vom Prozeß überall im Wagen verteilt. Dadurch wird es möglich ein I/O-Modul prozeßnah bei den Sensoren und Aktoren anzubringen, wodurch kurze Verteilerleitungen möglich sind. Jedes Modul hat seine eigene Stromversorgung, so daß die Module im Gegensatz zu einem Prozeßleitsystem unabhängig von einer zentralen Stromversorgung sind und so überall im Wagen angebracht werden können. In den nächsten beiden Ab-bildungen sind ein Prozeßleitsystem und MITRAC schematisch gegenübergestellt.
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Anschaltbaugruppen
Rangierverteilerschiene
StromVersorg. Kommunik.
usw.
Automatisierungssystem
Prozeß
Sensoren/Aktoren
Entfernung
bei Bedarf aufgrundgroßer Entfernung:Zwischenverstärker
Bild 31: Ankopplung eines Prozeßleitsystems an einen Prozeß (das Automatisie-rungssystem ist zentralisiert und kann sich weit weg vom Prozeß befinden).
Die Sensorsignale eines Diagnosesystems müssen bereitgestellt und verwendet werden. Zur Datenbereitstellung werden die Daten erfaßt, verarbeitet, gespeichert und weiterge-leitet. Diese Funktionen erfordern Schnittstellen, Speicher und Intelligenz in Form eines Prozessors.
: Module
Prozeß (Antriebsmodul, Waggon)
DX AX
AX AIN
DI
: Sensoren/Aktoren
VCU
MVB
WTB
Bild 32: Ankopplung eines Fahrzeugleittechniksystems mit den Sensoren und Ak-toren (Prozeß) eines Eisenbahnwagens über Anschaltbaugruppen.
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6.7 Fehler und Selbsttest von Sensorsystemen Die technologische Entwicklung der Sensor- und insbesondere der Mikrosystemtechnik wird durch eine erhöhte Integrationsdichte verstärkt Funktionen wie z.B. Selbstkalibration und eine erweiterte Signalverarbeitung ermöglichen. Die Integration von Sensoren und mikroelektronischen Elementen auf einem Chip führt dazu, daß die elektronischen Kom-ponenten oft den gleichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind wie die Sensoren selbst. Aufgrund der Anwendung von integrierten Sensoren in sicherheits- und zuverlässigkeits-relevanten Bereichen wie beim Diagnosesystem eines Gefahrgutgüterwagens wird die Entwicklung von Selbsttestmethoden erforderlich sein. Laut einer Studie sind Sensoren im Vergleich zu anderen Elementen einer Automatisierungsanlage als kritisch bezüglich ihrer Zuverlässigkeit anzusehen. Dabei sind Sensoren mit 45% und Aktoren mit 35% die Elemente mit der größten Ausfallhäufigkeit, gefolgt von Rechnern (5%), Kabeln und Ste-ckern (5%) und I/O-Karten (15%). /30/ Ein Diagnosesystem besteht aus den drei Komponenten Sensorelement, Übertragungs-kanal und der Verarbeitungselektronik. Folglich müssen alle drei Komponenten eine Selbsttestfähigkeit aufweisen. Die Verarbeitungselektronik kann sich bei integrierten Sensoren auch direkt beim Sensorelement befinden. Ihr kommt die Aufgabe der Signal-verstärkung, der Linearisierung, der Kompensation von Quereffekten (Bsp.: der Be-schleunigungssensor zur Messung der Vertikalbeschleunigung ist nicht 100%ig unemp-findlich gegen alle anderen Beschleunigungsrichtungen), der A/D-Wandlung und der Da-tenweiterleitung zu.
6.7.1 Begriffe Betrachtet man eine Anzahl von gleichen Systemen, so läßt sich die Betriebsphase, d.h. die Zeitspanne, in der ein System nutzbar ist, in drei Phasen untergliedern, die durch un-terschiedliche Ausfallursachen und Ausfallraten charakterisiert sind. Dieser Sachverhalt wird häufig in Form der sogenannten „Badewannenkurve“ nach Bild 33 dargestellt. Als Ausfallrate bezeichnet man dabei die Anzahl der Ausfälle eines Systems je Zeiteinheit.
Frühausfälle Zufallsausfälle Verschleißausfälle Zeit
Ausf
allra
te
Bild 33: Badewannenkurve
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Der erste Bereich, der durch eine stark sinkende Ausfallrate gekennzeichnet ist, ist der Bereich der Frühausfälle, die sich auf Produktionsfehler zurückführen lassen. Der zweite Bereich, der durch eine konstant niedrige Ausfallrate charakterisiert ist, entspricht der ei-gentlichen Betriebsphase eines Systems. Hier spielen zufällige und langfristige Ausfallur-sachen eine Rolle, die oft auf widrige Umgebungseinflüsse oder Anwendungsfehler zu-rückzuführen sind. Der dritte Bereich der Kurve zeigt wieder eine ansteigende Ausfallra-te, welche durch Verschleiß- und Ermüdungserscheinungen bestimmt ist.
Um herauszufinden, ob ein System die spezifizierte Funktion erfüllt oder ob es als ausge-fallen anzusehen ist, führt man einen Test durch. Hierzu wird ein Testobjekt mit einem sogenannten Testmuster oder Teststimulus angeregt und die Reaktion mit der erwarte-ten Testantwort verglichen. Nach zuvor definierten Kriterien wird festgelegt, ob ein Aus-fall vorliegt oder nicht. Was Ursache und Wirkung eines Ausfalles anbelangt, unterschei-det man bei mikroelektronischen Schaltungen die Begriffe Fehlerursache, Fehler und Fehlerwirkung. Die Fehlerursachen sind z.B. Verschmutzungen während der Fertigung. Ein Fehler ist eine unerwünschte Eigenschaft einer Komponente. Eine Fehlerwirkung zeigt sich, wenn ein Fehler dazu führt, daß ein System eine spezifizierte Funktion nicht erfüllt. Werden die physikalischen und/oder chemischen Mechanismen betrachtet, die ei-nen Fehler zur Folge haben, dann spricht man auch von Fehlermechanismen. Führt ein Fehler bei erlaubten Eingangssignalen nicht zu einer Fehlerwirkung, dann spricht man von einem redundanten Fehler. Ein Fehlermodell stellt eine Abstraktion eines Fehlers dar und ermöglicht eine Fehlersimulation, mit der bestimmt wird, ob ein durch ein Fehlermo-dell repräsentierter Fehler mit den ausgewählten Testmustern detektiert werden kann oder nicht. Das Verhältnis der Zahl der erkannten Fehler zu der Zahl der insgesamt zu simulierenden Fehler ist ein Maß für die Testgüte, die ausdrückt, wie weit ein Test die möglichen Fehler einer Schaltung oder eines Systems erfaßt. Das ermittelte Verhältnis nennt man Fehlererkennungsrate oder Fehlerabdeckung. Von großer Wichtigkeit für die Aussagekraft der Fehlerabdeckung ist in diesem Zusammenhang die Frage, wie gut die verwendeten Fehlermodelle die tatsächlich in einer Schaltung auftretenden Fehler be-rücksichtigen. Zur Durchführung eines Tests kann man die Testmuster von außen an das Testobjekt anlegen und die Testantworten ebenfalls außerhalb des Testobjekts auswerten. Eine weitere Möglichkeit des Testens besteht darin, die zum Test benötigten Mittel zur Erzeu-gung von Testmustern und zur Auswertung der Testantworten ganz oder teilweise in die zu testende Schaltung in Form von zusätzlicher Hardware einzubringen. In diesem Fall spricht man von Selbsttest. Ein Test in der Betriebsphase dient dazu, im Störungsfall ein fehlerhaftes Element zu er-kennen oder in bestimmten Diagnoseintervallen dessen augenblicklichen Zustand zu ü-berprüfen. Dieser Test kann in der Form eines Off-Line-Tests durchgeführt werden, bei dem der Betrieb eines Systems unterbrochen wird, um die Testmuster an das Testobjekt anzulegen. Beim sogenannten On-Line-Test wird durch das Einbringen redundanter E-lemente in eine Schaltung eine Überprüfung der Funktionstüchtigkeit ermöglicht, wäh-
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rend sich die Schaltung im Betriebszustand befindet. Durch eine weitere Erhöhung der Zahl redundanter Elemente wird es möglich, ein fehlerhaftes Element zu erkennen, um dann auf einen fehlerfreien Pfad umzuschalten. Diese Schaltungen und Systeme nennt man fehlertolerant.
6.7.2 Fehlermechanismen Bei Mikrosystemen (auch Mikrosensoren), deren Herstellungsprozeß vollkommen kom-patibel zu einem mikroelektronischen Prozeß ist, sind sicherlich ähnliche Fehlerursachen wie bei mikroelektronischen Elementen zu erwarten. Bezüglich der Fehlerwirkung stellt sich bei mikromechanischen Elementen die Frage, wie sich z.B. die mechanischen Ei-genschaften eines Elements unter dem Einfluß eines bestimmten Fehlermechanismus verändern. Eine Übersicht über die Häufigkeit von Ausfällen in der Betriebsphase eines Schaltkrei-ses mit den dazugehörigen Ausfallursachen ist in Tabelle 4 dargestellt.
Tabelle 4: Ausfallursachen und –raten integrierter Schaltkreise
Die Fehlerursachen mit den dargestellten Fehlermechanismen entwickeln sich vorwie-gend zu Kurzschlüssen und Unterbrechungen. Der Ablauf der Fehlermechanismen wird durch die äußeren Einwirkungen, dabei vor al-lem durch erhöhte bzw. wechselnde Temperaturen, beschleunigt. Darüber hinaus befin-den sich Stoffe zu einer beschleunigten Korrosionsbildung im direkten Umfeld von Mikro-systemen, wenn z.B. deren Einsatz im Schienenverkehrsbereich betrachtet wird. Bei ausschließlich mikroelektronischen Schaltkreisen kann man dieses Problem durch die Verwendung hermetischer Packungen entschärfen - bei Mikrosensoren jedoch muß das Medium, dessen physikalische oder chemische Eigenschaft sensorisch erfaßt werden soll, auf das Sensorelement einwirken können. Die Fehler bei der Herstellung einer integrierten Schaltung lassen sich in globale und lo-kale Fehler untergliedern. Globale Fehler entstehen z.B. durch gegeneinander verscho-bene Masken bei der Herstellung. Die Wirkung dieser Fehler äußert sich z.B. in para-metrischen Fehlern, welche sich an vielen Stellen einer Schaltung durch eine Parame-
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terabweichung bei Schaltelementen zeigen, jedoch die Schaltungsstruktur unverändert lassen. Lokale Fehler verändern die Struktur einer Schaltung und wirken sich entweder katastrophal oder nicht katastrophal aus. Katastrophale Fehler zeigen sich in Form von Kurzschlüssen geringer Leitfähigkeit oder durch Unterbrechungen von hoher Impedanz. Die nichtkatastrophalen Fehler äußern sich durch Abweichung von Parametern einzelner Schaltelemente oder durch unvollständige Unterbrechungen bzw. durch Kurzschlüsse mit einer im Vergleich zum katastrophalen Kurzschluß hohen Impedanz. Da bei der Her-stellung von Mikrosystemen davon auszugehen ist, daß diese vor ihrem Einsatz ausführ-lichen Fertigungstests unterzogen werden, bei denen globale Fehler erkannt werden, muß diese Fehlerart für den Selbsttest in der Betriebsphase nicht weiter berücksichtigt werden. In Bild 34 sind die Fehler klassifiziert dargestellt.
Fehler
Global Lokal
OffensichtlicheFehler
ParametrischeFehler
KatastrophaleFehler
NichtkatastrophaleFehler
Bild 34: Fehlereinteilung
6.7.3 Fehlermodellierung
6.7.3.1 Sensoren und analoge Schaltungen Die in Fehler! Unbekanntes Schalterargument. beschriebenen Fehlermechanismen, welche sich in der Betriebsphase von Mikrosystemen auswirken, äußern sich durchge-hend als lokale Fehler und führen vorwiegend zu Kurzschlüssen und Unterbrechungen. Zur Fehlermodellierung kommen bei analogen, integrierten Schaltungen vor allem Tran-sistoren, aber auch Widerstände und Kondensatoren in Frage. Die Modellierung katast-rophaler Fehler von Transistoren wird durch ein sogenanntes Widerstandsmodell vorge-nommen /31/. Hierbei werden die Kurzschlüsse zwischen zwei Anschlüssen eines Tran-sistors durch einen entsprechend kleinen Widerstand, der parallel zu den beiden An-schlüssen gelegt wird, und durch Unterbrechungen eines Anschlusses mit einem ent-sprechend großen Widerstand in Serie mit dem jeweiligen Anschluß des Transistors mo-delliert. Die Modellierung von Kurzschlüssen und Unterbrechungen bei Widerständen, Kapazitäten und Dioden kann analog zum Transistorfehlermodell mit entsprechenden Widerständen vorgenommen werden /32/.
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Ein weiteres Fehlermodell von MOS-Transistoren existiert für Gate-Oxid-Durchbrüche, welche sich nicht durch das obige Extremwertfehlermodell erfassen lassen /33/. Dem-nach machen sich Gate-Oxid-Durchbrüche vornehmlich durch Leckströme bemerkbar. Ein Ansatz zur realistischen Modellierung von Fehlern vor der Erstellung des Layouts auf Schaltplanebene ist die L2RFM-Methode (engl. Local-Layout-Realistic-Fault-Mapping) /34/. Die Modellierung von Abweichungsfehlern kann durch die Variation beliebiger Pa-rameter eines Simulationsmodells vorgenommen werden. Das grundsätzliche Problem der Fehlermodellierung besteht darin, die Parameter so zu wählen, daß die tatsächlich auftretenden Fehler durch die Fehlermodelle realistisch simu-liert werden können. Das erfordert im Einzelfall die Kenntnis relevanter Fehler und die dazugehörigen Parameter der jeweils verwendeten Schaltungstechnologie. Darüber hin-aus sind bei der Fehlermodellierung der Elemente einer analogen Schaltung auch die Schaltung selbst und deren Betriebsbedingungen zu beachten. Verschiedene Frequenz-bereiche, Arbeitspunkte usw. können dazu führen, daß sich bestimmte Fehler in voll-kommen unterschiedlicher Art und Weise auswirken und entsprechend unterschiedlich zu modellieren sind.
6.7.3.2 Mikromechanische Komponenten Nach /35/ ist die Aufgabe der Entwicklung von Fehlermodellen für mikromechanische Komponenten noch nicht gelöst, da es aufgrund des Fehlens einer allgemeinen Methodik zur Beschreibung von Mikrosystemeigenschaften keine allgemein akzeptierten Fehler-modelle für die Modellierung von Defekten in Mikrosystemen gibt. Grundlegende Arbei-ten zur Lösung dieses Problems werden zur Zeit in dem Verbundprojekt MIMOSYS durchgeführt /36/. Die fehlenden Kenntnisse der Auswirkungen von Fehlermechanismen auf die mechani-schen Eigenschaften eines mikromechanischen Elements erschweren die Entwicklung von Fehlermodellen und Testmethoden vor allem bei Systemen, deren sensorisches E-lement auf mechanischen Eigenschaften beruht, z.B. bei einer seismischen Masse in Beschleunigungssensoren. Da bei derartigen Sensoren jedoch zur Signalverarbeitung die Änderung von Systemeigenschaften der Sensorelemente ausgenutzt wird, wie z.B. die Änderung eines kapazitiven Spannungsteilers oder eines piezoresistiven Widerstan-des, können zur Fehlermodellierung elektrische Fehlermodelle, die auf entsprechenden Fehlermechanismen mikroelektronischer Elemente beruhen, angegeben werden. Aller-dings kann mit solchen Fehlermodellen kein direkter Zusammenhang zwischen einer physikalischen Meßgröße und dem elektrischen Verhalten eines fehlerbehafteten Sen-sorelements hergestellt werden. Deshalb ist diese Vorgehensweise als eine Art Zwi-schenlösung anzusehen, bis entsprechende Fehlermodelle für Mikrosysteme erarbeitet sind.
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6.7.3.3 Digitale Schaltungen Bei digitalen Schaltungen existieren im Gegensatz zu analogen Schaltungen und mikro-mechanischen Komponenten allgemein akzeptierte Fehlermodelle. Das mit Abstand am weitesten verbreitete Fehlermodell auf Gatterebene ist das Haftfehlermodell /37/. Dieses Modell geht von einfachen Haftfehlern aus, die sich an einem logischen Gatter so be-merkbar machen, daß entweder der Ausgang oder einer der Eingänge auf einem festen logischen Wert haftet. Liegt ein Signal ständig auf „0“, so handelt es sich um einen stuck-at-0 Fehler, liegt ein Signal ständig auf „1“, dann bezeichnet man diesen Fehler als stuck-at-1. Für bipolare Technologien, z.B. TTL, stellt dieses Fehlermodell eine sehr gute Abstraktion der möglichen Fehlerursachen dar, da sich die meisten der anzunehmenden Kurzschlüsse und Unterbrechungen in den Transistoren und den Verbindungsleitungen in Form von Haftfehlern der Ein- oder Ausgänge eines Gatters auswirken /37/. Nach /38/ kann für MOS-Technologien die Annahme von Haftfehlern für Einfachfehler auf Gatterebene zu Testmustern führen, bei denen Haftfehler auf Gatterebene getestet wer-den, die sich nicht auf einen Fehler auf physikalischer Ebene einer Schaltung abbilden lassen, durch die sich nicht alle tatsächlich vorhandenen Fehler erkennen lassen und wo der Test ineffizient ist, weil die Testmuster die Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten verschiedener Fehler und das Auftreten von Mehrfachfehlem nicht berücksichtigen. Weitere Fehler, die nicht durch das Haftfehlermodell beschrieben werden, sind die soge-nannten Verzögerungsfehler (engl. delay faults), welche die logische Funktion eines Gat-ters unverändert lassen, sich aber in einer zu großen Verzögerungszeit bemerkbar ma-chen /37/. Trotz der beschriebenen Unzulänglichkeiten des Haftfehlermodells ist dieses Fehlermo-dell im praktischen Gebrauch oftmals das einzige Modell, welches bei der Testmusterge-nerierung bzw. der Fehlersimulation zugrunde gelegt wird.
6.7.3.4 Übertragungskanal Die auf einem Übertragungskanal zu erwartenden Störungen und Fehlerursachen lassen sich in signalabhängige und signalunabhängige Störungen untergliedern /39/. Signalab-hängige Störungen sind Eigenstörungen, die von dem zu übertragenden Signal selbst abhängen und sich durch Klirr-, Dämpfungs- und Laufzeitverzerrungen ergeben. Signa-lunabhängige Störungen sind Fremdstörungen, die ihre Ursachen in thermischem Rau-schen, Nebensprechen oder weiteren Störeinkopplungen haben. Störungen eines Über-tragungskanals können sich kurzzeitig auswirken, wie es durch zufällige Störeinkopplun-gen der Fall sein kann. Ein Übertragungskanal kann aber auch dauerhaft gestört sein, was seine Ursache in einer Unterbrechung des Übertragungsmediums, z.B. durch Ka-belbruch, haben kann.
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Als Modell für kurzzeitige Fehler bei digitalen Übertragungskanälen wird sehr häufig das Modell des stationären, gedächtnisfreien, symmetrischen Binärkanals gewählt, welches von einer bestimmten Bitfehlerwahrscheinlichkeit pe ausgeht. Die Bitfehlerwahrschein-lichkeit ist die Wahrscheinlichkeit, mit welcher der Wert eines Bits durch eine Störung des Übertragungskanals invertiert wird. Die Wahrscheinlichkeit 1-pe entspricht der Wahr-scheinlichkeit, mit der ein Bit fehlerfrei übertragen wird. Der Begriff stationär drückt aus, daß die Eigenschaften dieses Kanalmodels zeitlich invariant sind. Die Bezeichnung symmetrisch beruht auf der Annahme, daß das Auftreten von Fehlern bei einer „0“ die gleiche Wahrscheinlichkeit besitzt wie das Auftreten eines Fehlers bei einer „l“. Die Ge-dächtnisfreiheit dieses Modells bezieht sich darauf, daß der Zustand eines Zeichens ausschließlich von dem gesendeten Zeichen und der augenblicklichen Störeinkopplung abhängt. Damit kann die Auswirkung von Störungen auf einzelne Bits als statistisch un-abhängig voneinander angenommen werden. Mit diesen Annahmen kann die Wahrscheinlichkeit p(w), daß in einem übertragenen n-Bit-Wort bei einer Bitfehlerwahrscheinlichkeit pe w Bits fehlerhaft übertragen werden nach Gleichung 1 angegeben werden /40/.
−
= −wn
ewe pp
wn
wp )1(**)( Gleichung Fehler!
Unbekanntes Schalterargument.
6.7.4 Selbsttest Die Aufgabe eines verteilten Sensorsystems ist es, die in den Sensoren ermittelten Meßwerte physikalischer Größen über ein Übertragungsmedium an einen Rechner zu übertragen, der die Daten auswertet und weiterverarbeitet, so daß die Meßwerte zu Steuerungs- und Regelungszwecken in die Steuerung von Prozessen eingebunden wer-den können. Die Quellen (Sensoren) und die Senke (Computer) sind räumlich verteilt und durch einen Übertragungskanal verbunden. Bezüglich des Selbsttests eines solchen Systems in der Betriebsphase ist der Testort, also der Ort an dem sich der Sensor befindet, nicht mit dem Ort identisch, an dem das Testergebnis benötigt und ausgewertet wird (Computer). Da der Test der integrierten Sensoren in der Betriebsphase fortlaufend ausgeführt wer-den soll, kann das nur über die systembedingte Verbindung zwischen Rechner und Sen-sor, dem Übertragungskanal, erfolgen. Der Selbsttest des Systems bedingt einen Datenaustausch zwischen Testobjekt (Sensor) und der Instanz, die den Test auswertet und das Ergebnis weiterverarbeitet (Computer oder VCU-Modul eines Leitsystems). Im Gegensatz zu konzentrierten Systemen fließen
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in diesem Fall die Eigenschaften des Kommunikationskanals in den Test des Systems mit ein. Sensorsysteme sind gemischt analog/digitale Schaltungen, die mikromechanische Sen-sorelemente enthalten. Das bedeutet, daß aus Sicht des Testens Methoden angegeben werden müssen, mit denen die Funktion dieser Teilsysteme verifiziert werden kann. Ins-besondere muß jedes Teilsystem mit adäquaten Teststimuli angeregt werden und es müssen geeignete Möglichkeiten der Auswertung und Beurteilung der Testantworten ge-funden werden, die eine Entscheidung über den Zustand der jeweiligen Systemeinheit zulassen. Nach /41/ können Zuverlässigkeitsindikatoren, Redundanz, funktionale Tests und Sys-temtests zum Selbsttest von Mikrosystemen eingesetzt werden. Diese Vorschläge basie-ren auf einem Modell von Mikrosystemen, welche aus mehreren integrierten Schaltkrei-sen aufgebaut sind und neben dem eigentlichen Sensor-IC und einem Signalverarbei-tungsschaltkreis einen Mikrocontroller enthalten. Die Anwendung von Zuverlässigkeitsindikatoren zum Selbsttest beruht auf der Messung von Parametern, die Fehler hervorrufen oder das Auftreten von Fehlern begünstigen. Das kann durch den Einsatz zusätzlicher Sensoren, z.B. der Auswertung der Umge-bungstemperatur oder der Messung von elektrischen Größen an bestimmten Schal-tungsknoten erfolgen. Da Zuverlässigkeitsindikatoren nicht direkt zur Detektion von Feh-lern führen, ist u. U. eine vergleichsweise komplexe Signalverarbeitung zur Auswertung und Beurteilung dieser Indikatoren erforderlich. Durch Redundanz, d.h. durch Parallelschalten und Vergleichen, kann ein Selbsttest von Sensoren auf unterschiedlichen Ebenen durchgeführt werden. Das kann durch die Re-dundanz von Teilen eines integrierten Sensors bis hin zum kompletten System reichen. Für digitale, kombinatorische Schaltungen kann dieses Prinzip nach Bild 35 angewendet werden /42/. Die zu testende Schaltung wird doppelt benötigt, wobei die Eingänge paral-lel geschaltet werden. Zum Test, das heißt zum Vergleich der Ausgänge der beiden Schaltungen, werden Komparatoren verwendet, die mit einem High-Pegel an ihrem Aus-gang einen fehlerbedingten Unterschied zwischen beiden Schaltkreisen detektieren kön-nen. Die Komparatoren lassen sich mit Hilfe von Ex-Or-Gattern realisieren.
Testschaltung
Testschaltung
Komparator Fehler?
Y
Y
X
Bild 35: On-Line-Selbsttest von digitalen Schaltungen
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Für analoge Schaltungen kann ein On-Line-Test nach dem gleichen Prinzip erfolgen (Bild 36). Zum Vergleich der analogen Ausgangssignale Ua1 und Ua2 der beiden Schaltungen dient ein Subtrahierer, wobei das Kriterium für die Detektion eines Fehlers das Über-schreiten einer bestimmten Differenz ist, da für analoge Schaltungen prinzipiell bestimm-te Toleranzen berücksichtigt werden müssen.
Testschaltung 1
Testschaltung 2
++
--
Ua1
Ua2
|Ua1 - Ua2|>Differenz?Ue
Bild 36: On-Line-Selbsttest von analogen Schaltungen
Dadurch ist ein vollständiger On-Line-Test möglich, der im allgemeinen mindestens zu einer Verdoppelung des Schaltungsaufwandes führt. Lediglich für bestimmte digitale Schaltungen wie Addierer, Komparatoren und Decoder sowie für Schaltungen, die nicht vollständig getestet werden sollen, sind Testmethoden bekannt, die mit einem geringeren Schaltungsaufwand verbunden sind /42/. Auch bei analogen Schaltungen läßt sich die Verdoppelung des Schaltungsaufwandes nach dem derzeitigen Stand der Technik nur dann vermeiden, wenn vollständig mit Differenzsignalen realisierte Schaltungen vorliegen /43/. Beispiele für einen funktionalen Test sind aus dem Bereich integrierter Sensoren für Beschleunigungssensoren in Airbags von Kfz beschrieben /44/. Durch eine elektrisch angeregte Auslenkung der seismischen Masse eines solchen Sensors um z.B. den vol-len Meßbereich ist eine Überprüfung der Funktionalität des Sensors möglich, die jedoch nur Off-Line durchgeführt werden kann, da sonst eine Auslösung des Airbags die Folge wäre. Weiterhin ist eine wichtige Voraussetzung für diesen funktionalen Test, daß sich der Sensor in einem unbeschleunigten Zustand befindet, da sonst die Auswirkung der Stimulierung auf das Ausgangssignal nicht exakt nachzuvollziehen ist. Das macht die Anwendung eines solchen Selbsttests für die Betriebsphase u.U. nur mit starken Ein-schränkungen möglich. Die Auswertung von Selbsttests ist für digitale Schaltungen bekannt und hinreichend in der Literatur beschriebe. Bei analogen Schaltungselementen sind die Testreaktionen al-lerdings unter Berücksichtigung der für analoge Schaltungen typischen Toleranzen aus-zuwerten. Für den Test der Sensorelemente besteht neben dem Problem der Stimulier-zeugung die Schwierigkeit, daß das Sensorelement während des Selbsttests nicht von seiner physikalischen Einflußgröße entkoppelt werden kann und sich so die Einwirkun-gen von Teststimuli und Meßgröße überlagern. Der Datenaustausch zwischen einem Rechner und den Sensorsystemen erfolgt entwe-der durch eine unidirektionale Datenübertragung oder einen bidirektionalen Übertra-
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gungskanal. Handelt es sich beim Übertragungskanal um eine unidirektionale Datenüber-tragung (Simplexkanal), kann die Datenübertragung zur Meßwerterfassung nach dem in Bild 37 angegebenen Modell stattfinden.
Messung und Übertragung
Zeit
OrtSensorController
Bild 37: Kommunikation zur Meßwerterfassung (Simplexkanal)
Der Sensor sendet zyklisch einen Meßwert an den Controller oder immer nur dann, wenn sich die Meßgröße geändert hat. Der Datenaustausch zum Test muß aufgrund des Über-tragungskanals nach dem gleichen Schema erfolgen (Bild 38). Dabei muß das Übertra-gungsformat so gewählt werden, daß Testdaten von Meßdaten eindeutig zu unterschei-den sind. Messen und Testen können dabei in einem Vorgang oder abwechselnd erfol-gen, der Sensor selbst bestimmt dann die Testhäufigkeit.
Testreaktion
Zeit
OrtSensorController
Bild 38: Kommunikation zum Testen (Simplexkanal)
Die Übertragung eines einzelnen Meßwertes von einem Sensor zum Controller wird bei Verwendung eines Bussystems als Übertragungskanal durch ein Buszugriffsverfahren geregelt, welches das Busmedium ausschließlich den beiden jeweiligen Kommunikati-onspartnern (Quelle und Senke) zur Verfügung stellt. Bei dem Übertragungskanal han-delt es sich dann um einen Duplexkanal, der eine Datenübertragung in beide Richtungen zuläßt. Der Datenaustausch zur Meßwerterfassung kann dann nach Bild 40 durch eine Anforderung des Controllers ausgelöst und durch die Übertragung eines Meßwertes durch den Sensor abgeschlossen werden. Der Datenaustausch zum Test der Sensoren kann nach dem gleichen Schema abgewickelt werden (Bild 39).
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Messung und Übertragung
Zeit
OrtSensorController
Anfordern eines Meßwertes
Bild 39: Kommunikation zur Meßwerterfassung (Bussystem)
Testreaktion
Zeit
OrtSensorController
Anforderung zum Test
Bild 40: Kommunikation zum Selbsttest (Bussystem)
6.7.4.1 Sensoren und analoge Schaltungen Die in Kapitel Fehler! Unbekanntes Schalterargument. beschriebenen Fehler für mik-roelektronische Schaltungen sind, im Gegensatz zu den kurzzeitigen Störungen auf dem Übertragungskanal, als langfristig und dauerhaft anzusehen. Daher ist es ausreichend, wenn die auszuwählende Testmethode einem Off-Line-Test entspricht. Der Sensor kann dann im Wechsel mit der Meßwerterfassung getestet werden. Damit läßt sich der Begriff „langfristig“ in Bezug auf die Fehlerwirkungen in Sensoren eingrenzen: Es kann davon ausgegangen werden, daß sich mit den vorgeschlagenen Sensoren problemlos die Meßwerterfassung und der Test mit einer Wiederholrate im Millisekundenbereich durch-führen läßt. Damit kann ein Fehler, der sich beispielsweise durch Elektromigration ergibt und sich im Lauf der Zeit von der leichten Erhöhung des Widerstandes einer leitenden Verbindung bis hin zu einer Unterbrechung entwickeln kann, zu dem Zeitpunkt detektiert werden, ab dem dieser Fehler für den implementierten Selbsttest detektierbar wird.
Nach den in Kapitel 6.7.2 dargestellten Fehlermechanismen ist die Anwendung von Selbsttests auf Schaltungsebene zu bevorzugen. Die dazu in Frage kommenden Metho-den beruhen bei analogen und digitalen Schaltungen zur Messung des Versorgungs-stromes oder auf der Erzeugung von bestimmten Teststimuli und deren Auswertung in Form einer Signaturanalyse. Um den Selbsttest des Sensors mit einem möglichst gerin-gen zusätzlichen Schaltungsaufwand zu ermöglichen, ist es angebracht, die Testmetho-de für die digitalen und analogen Schaltungsteile sowie das Sensorelement so auszu-wählen, daß möglichst viele Testmittel gemeinsam genutzt werden können. Dabei hat sich gezeigt, daß für Tests der analogen Schaltungsteile die auf der Anwendung von
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Testmustern und Signaturanalyse beruhenden Selbsttestverfahren gegenüber den Selbsttestverfahren, welche auf der Messung des Versorgungsstromes beruhen, deutli-che Vorteile besitzen. Zunächst werden zum Selbsttest der analogen Schaltungsblöcke eines integrierten Sen-sors die Selbsttestmethoden On-Chip-Stromtest /45/ und der hybride Selbsttest (HBIST, Hybrid-Built-In-Selftest) /31/, die aus dem Bereich des Selbsttests von analogen und ana-log-digitalen Schaltungen bekannt sind, beschrieben. Ein „On-Chip“-Ruhestromtest (IDDq-Test), der bei digitalen Schaltungen mit Erfolg einge-setzt wird, ist für analoge Schaltungen weniger gut geeignet /45/. Die Ursache hierfür ist, daß sich der analoge Schaltkreis bei einer statischen Anregung in einem stabilen Zu-stand befindet und damit dynamische Elemente nicht durch diesen Test erfaßt werden können. Eine Kapazität beispielsweise verhält sich bei einer zeitlich konstanten Anre-gung wie eine Unterbrechung. Deshalb bedient man sich für den Test analoger Schal-tungen der IDDd-Methode oder der IDDt-Methode /46/. Die IDDd-Methode besteht aus einer Strommessung bei dynamischer Anregung des Chips, die IDDt,-Methode entspricht einer Strommessung bei transienter Anregung des Chips. Für diese beiden Methoden benötigt man einen dynamischen Stromsensor, der zum Selbsttest in die Schaltung integriert wird (BIC-Sensor; Built-In-Current) /31/. Das Prinzip des Tests durch Messung des Versor-gungsstromes mit den verschiedenen Möglichkeiten zur Stimulierung des Sensors ist in Bild 41 dargestellt.
U/VIDDq-Test
Teststimulus
t/s
U/VIDDd-Test
t/s
U/VIDDt-Test
t/s
SensorTeststimulus
Vsupply
Differenz-amp. Testantwort
IDDq,d,t
Bild 41: Versorgungsstromtests bei unterschiedlichen Stimuli
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Zur Testauswertung kann man z.B. Komparatoren einsetzen, wenn auf das Überschrei-ten eines bestimmten Stromes oder eines Stromintervalls getestet wird. Eine Möglichkeit zur Auswertung der Testantwort eines IDDt-Tests ist die Durchführung einer Signaturana-lyse /47/. Die Signaturanalyse beruht auf der Verstärkung einer zum Versorgungsstrom proportionalen Spannung, wobei beim Überschreiten einer bestimmten Schwelle eine lo-gische „l“, ansonsten eine logische „0“ erzeugt wird. Auf diese Art und Weise entsteht ein serielles, digitales Signal, welches als Signatur aufgefaßt werden kann und für den feh-lerfreien Schaltkreis einen definierten Verlauf zeigt. Diese Methoden des Versorgungsstromtests sind zur Anwendung in integrierten Senso-ren mit einem Nutzsignalhub über den gesamten Meßbereich von z.B. nur einigen Milli-volt (z.B. 20mV/100K) weniger geeignet, da diese Methoden zu einem dem IDDq,d,t propor-tionalen Spannungsabfall (z.B. 0.5 V) führen. Mikromechanische Komponenten
6.7.4.2 Digitale Schaltungen Die prinzipielle Vorgehensweise zum Selbsttest digitaler Schaltungen auf Basis der Er-zeugung von Testmustern und der Auswertung der Testreaktionen durch eine Signatur-analyse ist in Bild 42 dargestellt /37/.
Teststimuli
Teststeuerung und -auswertung
Signatur-analyse
Sensor/Schaltkreis
Bild 42: Selbsttest digitaler Schaltkreise
Die Teststeuerungseinheit veranlaßt den Testmustergenerator, die Teststimuli an den zu testenden Sensor oder Schaltkreis anzulegen. Die Testantworten werden einem Signa-turanalysator zugeführt und zu einem Datenwort, der Signatur, komprimiert. Deshalb kann die Testauswertung in der Teststeuerungseinheit durch den Vergleich der Signatur mit einer Sollsignatur erfolgen. Stimmen beide Signaturen überein, so kann der getestete Schaltkreis als funktionsfähig betrachtet werden. Dabei ist zu beachten, daß durch Zahl und Art der angelegten Teststimuli sowie die Art der durchgeführten Signaturanalyse ei-ne entsprechend hohe Fehlerabdeckung erreicht wird. Zur Erzeugung der Teststimuli und zur Durchführung der Signaturanalyse sind eine Reihe verschiedener Methoden und Schaltungstechniken bekannt. Eine weitere Vorgehensweise zum Selbsttest komplexer digitaler Schaltungen ist die Verwendung von multifunktionalen Testregistern. Der bekannteste Vertreter seiner Art ist
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der sogenannte BILBO (Built-In-Logic-Block-Observer) /48/. Der BILBO vereinigt alle Funktionen zum Selbsttest in einem einzigen Register. Neben dem Betrieb als einfaches Register besitzt der BILBO die Fähigkeit, als Scan-Register, Stimulusgenerator oder als paralleles Signaturregister eingesetzt zu werden.
6.7.4.3 Übertragungskanal Die in 6.7.3.4 beschriebenen Fehlerursachen auf dem Übertragungskanal wirken sich entweder kurzzeitig und zufällig aus oder führen zu einer dauerhaften Störung der Da-tenübertragung zwischen einem Sensor und einem Rechner. Dadurch werden die auf dem Übertragungskanal übertragenen Datenpakete (Nachrichtentelegramme) an einzel-nen Stellen verfälscht, oder sie gehen komplett verloren. Durch das Auftreten von kurz-zeitigen Fehlern muß die zum Test des Übertragungskanals verwendete Methode Fehler genau dann detektieren können, wenn entsprechende Störungen vorhanden sind. Das macht einen On-Line-Test notwendig, der die Forderung nach einer sofortigen Fehlerer-kennung erfüllt. Im Zusammenhang mit Kommunikationssystemen spricht man üblicher-weise nicht von einer Selbsttestmethode, sondern bezeichnet die Vereinbarungen über den Austausch von Nachrichten über einen Übertragungskanal als Kommunikationspro-tokoll. Ein Kommunikationsprotokoll umfaßt alle für den reibungslosen Datenaustausch zwischen zwei oder mehreren Kommunikationspartnern erforderlichen Vereinbarungen. Diese reichen u.a. von der Festlegung der Übertragungsgeschwindigkeit, dem zu ver-wendenden Übertragungsmedium und dem Aufbau der Nachrichtentelegramme bis hin zu den Mechanismen zur Erkennung von Übertragungsfehlern. Zur Überprüfung auf Ü-bertragungsfehler werden fehlererkennende oder fehlerkorrigierende Codes eingesetzt /40/.
6.7.4.4 Stand der Anwendung Selbsttest Die oben beschriebenen möglichen Selbsttestverfahren werden zur Zeit noch nicht ein-gesetzt. Bei einigen Sensoren, die durch einen Konstantstrom gespeist werden, wird der abfallende Spannungspegel überwacht und bei Unterschreitung gemeldet. Bei Brücken-schaltungen gibt es bei einigen Sensoren die Möglichkeit eine Shuntkalibrierung vorzu-nehmen, indem zu einem Brückenzweig ein Shuntwiderstand parallel geschaltet wird. In der Entwicklungs- und/oder Einführungsphase befinden sich Sensoren mit einem kleinen internen Speicher, der Hersteller- und Sensordaten wie die Seriennummer oder Kalibrie-rungswerte speichert. Bei der Initialisierung wird ein komplettes Datenpaket zur Auswer-teeinheit geschickt. Ist dieses Datenpaket unlesbar oder beschädigt, so hat man einen Hinweis, daß etwas mit dem Sensor nicht stimmt. Im Eisenbahnbereich läuft ein „Selbsttest“ so ab, daß nach einer Fehlermeldung der Zug auf ein Nebengleis gefahren und dann abgerüstet sowie aufgerüstet wird, so daß die Fehlermeldung in den meisten Fällen verschwunden ist. Es wird quasi Off-line ein Reset durchgeführt.
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7 Einbau der Diagnosetechnik und Telematik im Fahrzeug
7.1 Einbau der Telematikbox Je nach Fahrzeugtyp und nach Einsatzbereich des Telematiksystems sind verschiedene Einbauorte der Auswertungselektronik sinnvoll. Wird ein herkömmlicher Güterwagen mit Wechselaufbauten verwendet, wird die Telema-tikeinheit sinnvollerweise im Bereich des Untergestells angebracht, wenn die Diagnose des Wagens Vorrang hat. Liegt das Hauptinteresse in der Ladungsdiagnose über mehre-re Verkehrsträger hinweg wird die Telematikeinheit am Wechselaufbau befestigt und mit der Sensorik über genormte Steckverbindungen erfolgen. Auch bei Standardgüterwagen ohne wechselnden Aufbau kann es angezeigt sein, trotz längerer Kabelverbindungen, die Telematikbox in den Dachbereich zu verlegen. Insbe-sondere bei erhöhter Diebstahlgefahr kann sogar eine Integration in den Aufbau bzw. dessen Verkleidung sinnvoll sein. Erste Erfahrungen größerer privater Flottenbetreiber zeigen, daß diese Lösung v.a. für Osteuropa sinnvoll ist, da dort gut erreichbare Mikro-elektronik zu Diebstahl verführt.
7.2 Einbau der Sensorik Die Einbauorte der Meßsensorik wurden bereits in Kapitel 6.2 bis 6.4 erläutert und sollen hier nur noch einmal anhand von Bild 43 verdeutlicht werden.
z.B. Laufdynamik , Tem-peratur und Fahrzeuggewicht
z.B. Bremsfunktion undAnsprechzeiten
Waggon-masse
Temperatur
Bild 43: Anordnung der Meßsensorik am Fahrzeug
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7.3 Systemschnittstellen Wichtig in Hinblick auf die Wartungsfreundlichkeit ist die Festlegung bzw. die Beachtung der Schnittstellen der Kabel bzw. die Schnittstellen des Telematiksystems. Zum einem besteht die Schnittstelle des Telematiksystems zur „Außenwelt“, d.h. entwe-der über Kurzstreckenfunk zur Zuglokomotive oder bei autarken Lösungen zu einem Te-lematik-Provider. Wichtig, um das Gelingen des Systems Telematik zu gewährleisten, ist, daß diese Schnittstellen zu einem geeigneten Zeitpunkt genormt werden. Derzeit ist in der ersten Stufe die Normung der Kommunikation zwischen dem Wagen und dem Telematik-Provider wichtig, um geeignet in das Betriebsgeschehen der Bahn eingreifen zu können. Entscheidend hierbei für den Erfolg ist, daß alle Systeme, die eingeführt werden künftig dieselbe, genormte Schnittstelle zu den Bahngesellschaften auf sprachunabhängiger Ba-sis besitzen (s. Bild 44). Die Normung der Anschlüsse der Sensorik an das Telematiksystem ist derzeit und wahr-scheinlich auch künftig zweitrangig, da zu erwarten ist, daß diese Telematiksysteme als Komplettsysteme eines unabhängigen Lieferanten gekauft und mit diesem Wartungs- und Lieferverträge geschlossen werden, so daß ein Austausch von Einzelmodulen kaum vorkommen wird. Sondierungsgespräche mit möglichen Anbietern von Telematiksyste-men haben zudem gezeigt, daß aufgrund der besonderen Anforderungen an die Senso-rik (geringster Stromverbrauch, stand-by-Modus, eigene Auswerteelektronik, etc.) keine Normung zwischen verschiedenen Sensoranbietern zu erwarten ist, sondern daß einzel-ne Anbieter spezielle Sensoren anbieten und herstellen werden; somit ist eine Normung auf dieser Ebene wenig sinnvoll.
Bild 44: Telematikschnittstellen an einem Güterwagen
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7.4 Schnittstellen am Wagen
7.4.1 Schnittstelle Achse – Drehgestellrahmen Zur Demontage und zur Wartung ist ggf. eine Schnittstelle zwischen dem Achslager und dem Drehgestellrahmen erforderlich. Diese kann je nach Häufigkeit des Ausbaus der Achse als Lötstelle oder als Steckverbindung ausgeprägt sein. Beim Ausbau der Achse und des Achslager sowie der Federelemente wären davon der Achslager-Temperatursensor und die Federweg- oder Federkraftmessung betroffen.
7.4.2 Schnittstelle Drehgestellrahmen – Untergestell Auch für den Tausch eines Drehgestells unter einem Wagen ist eine definierte und gut zugängliche Schnittstelle erforderlich. Auch hier muß vom Betreiber der Wagenflotte festgelegt werden, welche Form der Schnittstellen er bevorzugt. Aussagen eines großen Systemhauses zeigen, daß Steckverbindungen als ausfallkri-tisch angesehen werden, Literaturangaben jedoch deuten auf Stecker als Fehlerquellen erst in geringerer Priorität hin (ca. 5% der Meßkette) /49/.
7.4.3 Schnittstelle Untergestell – Ladung Die Problematik der Definition dieser Schnittstelle wurde bereits in Kapitel 7.1 ange-schnitten, da nach Wahl des Ortes der Telematikbox auch die Schnittstelle festzulegen ist. Anzumerken bleibt jedoch nur noch, daß diese Schnittstelle nur bei Wagen mit Wechselaufbauten vorgesehen werden muß.
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8 Ausbaustufen der Diagnose - und Meldetechnik Im folgenden sollen für das Konzept des autarken Güterwagens mit Selbstortung über GPS denkbare Ausbaustufen der eingesetzten Techniken ausgeführt werden. Für die Meldetechnik kann die Datenweiterleitung unabhängig von den Ausbaustufen der einge-setzten Sensorik für die Diagnose ausgeführt sein. Die Varianten der Meldestrategien werden ausführlich in Kap. 12 beschrieben. Die Wei-terleitung der Information „Entwicklung oder Vorhandensein eines gefährlichen Zustan-des“ läßt sich in der Grundversion am einfachsten über ein elektronisch gesteuertes zu-sätzliches „Pulsationsbremsventil“, das in Intervallen zu einer schwachen, aber mäßigen Abbremsung des gesamten Zuges (=Rucken) durch Absenken des Drucks in der Haupt-luftleitung um einen geringen Betrag, realisieren. Diese Lösung kann durch Schulung der Lokomotivführer eines Gefahrgutzuges grenz-überschreitend verstanden werden, ist mißverständnisfrei und hat durch Mitteilung an die Lokomotive und von dort an die bereits existierenden Leitzentralen der Bahnen einen si-cheren Kommunikationsweg zu den ggf. anzufordernden Einsatzkräften. Erste Versuche mit diesem System finden derzeit in der Schweiz mit einem Sensor der Fa. Sintro an drei Mineralölkesselwagen statt /50/. Als redundante Möglichkeit der Informationsmeldung sollte das Pulsationsbremsventil auch in den weiteren Ausbaustufen beibehalten werden. Die Meldung erfolgt in den wei-teren Stufen über Funk, um die Sicherheit der Meldung zu erhöhen, ist ein redundantes Meldesystem äußerst sinnvoll. In der Ausbauversion wird die Meldung über Funk an eine neu einzurichtende Provider-Zentrale weitergeleitet. Von dem Provider werden die Infor-mationen dann zu den zuständigen Stellen weitergeleitet und es können zusätzliche In-formationen eingeholt und verknüpft werden.
8.1 Grundversion Um der Telematik auf Gefahrgutgüterwagen möglichst schnell zu einer weiten Verbrei-tung zu verhelfen, ist eine preiswerte und gut nachrüstbare stand-alone-Lösung, die ei-genständig Probleme melden kann und wenig Strom benötigt, am besten geeignet. Zur Diagnose gefährlicher werdender Zustände werden dazu im Bereich der Fahrdyna-mik Informationen über Entgleisungen benötigt. Schon in der Grundversion sollte auch eine Detektion von Heißläufern erfolgen. Die Kenntnis über den Funktionszustand der Bremse sollte schon in der Grundversion verwirklicht werden, da dadurch Gefährdungen im Betrieb sowie im Stillstand der Wagen aufgrund versagender Bremsen vermieden werden können und mit geringen Mitteln (nur ein Sensor ist notwendig) ein deutlicher Si-cherheitsgewinn zu erzielen ist. Die Überwachung des Drucks am Bremszylinder läßt sich wie beschrieben sehr einfach durch einen Drucksensor umsetzen.
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Im Bereich der Ladegutüberwachung hängen die Ausbaustufen sehr stark von dem zu überwachenden Ladegut und den Anforderungen, die der Spediteur oder Kunde stellt, ab. Für den Bereich des Gefahrguttransports in Kesselwagen ist zur Diagnose gefährlich werdender Zustände eine Diagnose der Druck- und Temperaturentwicklung notwendig. Als interessante Variante der Ladegutüberwachung bietet sich auch die Bewegungsmel-dung und die Überwachung diverser Parameter wie z.B. der Luftfeuchtigkeit und die De-tektion von Gasen an. Zusätzlich müssen die Sensorsignale von einer zentralen Einheit, der sogenannten Tele-matikbox, aufgenommen und verarbeitet werden sowie im Anschluß weitergegeben wer-den
8.2 Erweiterungsversion In Erweiterung der o.g. Diagnostik ist es wünschenswert sukzessive die schon vorgestell-ten Diagnosemöglichkeiten einzuführen. Je nach Philosophie der Wagenbetreiber kön-nen diese Lösungen einzeln oder kombiniert eingebaut werden. In einer Erweiterungsversion sollten insbesondere die weitergehenden Möglichkeiten ge-nutzt werden, die sich durch die Telematik für die Bremsdiagnose bieten. Dies beinhaltet den Einbau von Verschleißsensoren in die Bremsbeläge, so daß eine zustandsbezogene Instandhaltung ermöglicht wird. Weiterhin sollte der zeitliche Druckverlauf am Bremszy-linder aufgenommen werden, um Rückschlüsse für die Wartung und Rückschlüsse auf das sichere Funktionieren zu erhalten. Die Diagnosetechnik im Fahrzeug wird in dieser Stufe um die absolute Gewichtsbestim-mung der Ladung und die relative Gewichtsbestimmung zwischen rechter und linker Fahrzeugseite mit Hilfe von Weg- oder Kraftsensoren in der Primärfederstufe bzw. Ultra-schallsensoren am Untergestell ergänzt. Damit kann zum einen eine Überladung festge-stellt werden (im übrigen entfällt damit die kostspielige Verwiegung einzelner Wagen auf ortsfesten Waagen) und eine einseitige Verschiebung von Ladegut während des Betriebs entdeckt und das Eintreten daraus resultierender Schäden vermieden werden. Außerdem bietet diese Diagnoseeinrichtung die Möglichkeit, gefährliche Federbrüche, die sonst unentdeckt bleiben würden, festzustellen. Für eine verbesserte Ladegutüberwachung sollte auch eine Erfassung von Transportbe-anspruchungen über die Längs- und Vertikalbeschleunigungen durchgeführt werden.
8.3 Vollversion Um die Diagnostik der Entgleisungsgefahr weiter zu verbessern, sollen in der Vollversion die Meßwerte der Primärfederstufe (Kraft-/Wegmessung) in Hinblick auf das Bevorstehen
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bzw. die Ankündigung einer Entgleisung überwacht werden. Es wird erwartet, daß das Aufklettern des Spurkranzes vor bzw. während einer Entgleisung zu charakteristischen Meßwerten an den beteiligten Achsen führen wird, da zum Entgleisen mindestens der Spurkranz mit seiner Höhe (meistens 35mm) die Schiene überwinden muß. Im Bereich der Bremsdiagnostik sind in der Vollausbaustufe die fehlenden zwei Baustei-ne zur vollständigen Diagnose des gesamten Bremssystems vorgesehen. Dazu zählen die Bestimmung der Betätigungskraft am Bremsbelag bzw. am Bremsklotz und die Ü-berwachung der Bremsgestängewege zur Vorhersage von Bremseffekten.
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9 Datenweiterleitung und Kommunikation
9.1 Allgemeines Der intelligente Güterwagen wird zum Bestandteil eines Telematiksystems, indem er mit seiner Umgebung kommuniziert. Dafür werden entsprechende Kommunikationseinrich-tungen benötigt. Bei dem in diesem Text beschriebenen Anwendungsfall "Gefahrgut-Telematik" könnte eine Kommunikation des Gefahrgutwagens unter anderem aus folgenden Gründen erfol-gen: • Meldung eines Notfalls oder von Unregelmäßigkeiten, die zu einem Gefahrfall werden
könnten. • Empfang von Daten zur Initialisierung, Zugtaufe, Anmeldung bei ortsfesten Anlagen
usw. • Datenaktualisierung über Art des Ladeguts usw., soweit diese Daten direkt im Wagen
vorgehalten werden. • Kommunikation für weitere Telematikanwendungen im Rahmen der Nutzung von
Synergieeffekten • Kommunikation im Zusammenhang mit Kalibrierung, Tests, Wartung usw. Grundsätzlich wird unterschieden zwischen Systemen zur Kommunikation Fahrzeug - ortsfeste Infrastruktur und Systemen für die Kommunikation zwischen den Fahrzeugen eines Zuges.
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Kommunikation Fahrzeug / Fahrweg
Kommunikation Fahrzeug/Fahrzeug
Optisch / Akustisch
Funk analog / digital
Funk via Satellit
punktuell über Baken / Balisen
durchgehend über Linienleiter,...
Steuerkabel / Zugbus
Bremsanlage ("Bremsventil")
Funkverbindung
über ortsfeste Infrastruktur
bar
Bild 45: Externe Kommunikation
Im folgenden werden verschiedene Formen der Kommunikation kurz beschrieben und hinsichtlich ihrer Eignung für die Gefahrgut-Telematik evaluiert. Bild 45 gibt einen Über-blick über mögliche Formen der Kommunikation.
9.2 Kommunikation Fahrzeug - Infrastruktur
9.2.1 Optisches / Akustisches Signal Der Gefahrgutwagen löst zur Alarmierung ein optisches oder akustisches Signal aus. Beispiele sind Blinklichter, Hörner, Sirenen o. ä. Entsprechende Einrichtungen sind auf dem Zubehörmarkt für Schienenfahrzeuge, Kraftfahrzeuge usw. erhältlich. Vorteil dieser Kommunikationsform sind die Einfachheit, der geringe Preis, das Fehlen ortsfester Einrichtungen und die vollständige Unabhängigkeit vom übrigen Bahnsystem, so daß es zu keinen Konflikten kommen kann. Die Nachteile dieses Ansatzes überwiegen:
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• Datenübertragung nur vom Fahrzeug zur Umgebung • Nur sehr einfache Informationen übertragbar • Es ist nicht sichergestellt, daß das Signal wahrgenommen und weiterverarbeitet wird • Der Stromverbrauch ist verglichen mit anderen Kommunikationssystemen relativ hoch Eine Eignung für den Telematik - Gefahrgutwagen besteht daher eher als sekundäres Warnsystem z. B. • Um den Wagen nach erfolgter Alarmierung durch ein primäres System für Helfer in
einer Wagengruppe zu identifizieren. • Um bei Ausfall eines primären Kommunikationssystems durch Fehler oder wegen feh-
lender Netzabdeckung dennoch warnen zu können. • Um bei der Einführung von Telematik eine einfache Warnmöglichkeit zu besitzen, bis
ein Ausbau komplexerer Kommunikationssysteme mit ortsfester Infrastruktur abge-schlossen ist.
9.2.2 Terrestrische Funksysteme Funksysteme werden schon seit längerer Zeit bei Bahnen zur Kommunikation zwischen Fahrzeug und Infrastruktur eingesetzt. Dabei gibt es digitale und analoge Funksysteme. Für die Anwendung in der Telematik für Gefahrgutwagen sind unter anderem folgende Anforderungen zu stellen: • Der Gefahrgutwagen muß rechtzeitig eine Warnung absetzen können. Dazu ist keine
100% Funkabdeckung notwendig, aber es muß jederzeit in wenigen Sekunden mög-lich sein, eine Funkverbindung herzustellen. Dementsprechend können nur sehr kurz-fristige Funkunterbrechungen und -löcher toleriert werden.
• Der Energieverbrauch des Funksystems muß gering sein. Antennenanlagen dürfen
nur einen geringen Platzbedarf haben und dürfen eine Beladung des Wagens von oben (z. B. Containertragwagen) nicht beeinträchtigen.
• Da Gefahrgutwagen europaweit und auch national auf verschiedenen Bahnsystemen
eingesetzt werden, muß das Funksystem europaweit vorliegen, um kostspielige, mul-timodale Funkanlagen zu vermeiden.
In längeren Tunneln ist eine Funkkommunikation zu Stellen außerhalb des Tunnels ohne geeignete Infrastruktur wie Funkrepeater nicht möglich. Für die Gefahrgut-Telematik stellt dies kein ernsthaftes Problem dar, denn beim Auftreten von Störungen am Fahrzeug o-der seiner Ladung hat auch hier die Evakuierung aus dem Tunnel erste Priorität. Sendet
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ein Wagen noch vor Einfahrt in einen Tunnel ein Signal, daß Schwierigkeiten bestehen, obliegt es der Leitzentrale die Signaltechnik so zu beeinflussen, daß der Zug den Tunnel passiert oder der Zug mit dem meldenden Wagen vor Einfahrt in den Tunnel gestoppt wird (vgl. Bild 46).
Bild 46: Topographische Besonderheiten und Konsequenzen der Funkkommunikation Im folgenden werden verschiedene Lösungsansätze für die Kommunikation mit Gefahr-gutwagen über terrestrische Funkverbindungen vorgeschlagen:
9.2.2.1 Eigenständiges Funksystem für Gefahrgut-Telematik Für die Kommunikation zwischen Gefahrgutwagen und ortsfester Infrastruktur wird ein eigenes, neues Funksystem aufgebaut. Der Aufbau eines entsprechenden Systems benötigt für eine sichere Kommunikation vom Fahrweg zum Fahrzeug entweder wenige ortsfeste Anlagen aber sehr starke und damit teure, mobile Sendeanlagen mit entsprechender Gerätegröße, hohem Energie-verbrauch und großen Antennenanlagen. Bei kleineren mobilen Geräten werden viele Empfangsanlagen benötigt, was die Infrastrukturkosten stark in die Höhe treibt. Weiterhin müßten entsprechende Frequenzbänder europaweit zur Verfügung gestellt werden und es müßten zahlreiche Standards und Normen festgelegt werden.
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Aus den genannten Gründen ist die Nutzung eines eigenen Kommunikationsnetzes nur für die Gefahrgut-Telematik nicht praktikabel. Es müssen also bereits vorhandene Sys-teme genutzt werden, die die Bahnstrecken entsprechend abdecken.
9.2.2.2 Nutzung von Zugfunksystemen Verschiedene Bahngesellschaften haben seit den siebziger Jahren unterschiedliche Zug-funksysteme eingerichtet. Diese Systeme funktionieren zufriedenstellend und sind teil-weise so organisiert, daß ein anrufendes Fahrzeug automatisch mit dem zuständigen Stellwerk, Fahrdienstleiter usw. verbunden wird. Allerdings müssen teilweise entspre-chende Frequenzen eingestellt werden usw., was sich jedoch automatisieren ließe. Die Nutzung dieser Funksysteme für die Gefahrgut-Telematik hat folgende Nachteile: • Es gibt zwar einen europaweiten Standard, EURORADIO, eine Komponente von
ETCS (European Train Control System) genormt von der UIC, existierende Funksys-teme, deren Netzausbau sehr kostspielig war, sind jedoch hierzu nur bedingt kompa-tibel. Letztendlich werden die Bahnen in Europa ihre Kommunikation wahrscheinlich auf GSM-R umstellen. Die bestehenden Systeme sind technisch oder hinsichtlich der Datenformate und der Organisation des Funkverkehrs (Rufnamen usw.) inkompatibel, es müßten im Fahrzeug teure multimodale Systeme eingesetzt werden.
• Die Netzabdeckung ist nur in einigen Ländern bei nahezu 100 %. Werksbahnen und
Privatbahnen haben ihre eigenen Betriebsfunksysteme mit hoher Netzabdeckung, die aber zum Bahnfunk inkompatibel sind.
• Die Funksysteme liegen in der Hand großer nationaler Bahngesellschaften. Der Zu-
gang Dritter zu diesen Systemen erfordert entsprechende Verhandlungen. • Ältere, analoge Funksysteme haben bei Datenfunk über Modems o. ä. eine geringe
Übertragungsrate, während bei einer großen Anzahl von Telematikwagen und einer möglichen Nutzung zusätzlicher Telematikanwendungen für Synergieeffekte hier ein System, das langfristig auch die Übertragung großer Datenmengen zuläßt, wün-schenswert wäre.
Aus den genannten Gründen wird die Nutzung von Zugfunksystemen für die Kommuni-kation des Telematik-Gefahrgutwagens nicht empfohlen.
9.2.2.3 Mobilfunksysteme Mobilfunksysteme bieten die Möglichkeit des digitalen Datenfunks mit ausreichend gro-ßen Übertragungsraten. Möglich wäre hier die Nutzung öffentlicher Mobilfunknetze oder die Nutzung des europaweit standardisierten europäischen Mobilfunksystems für Bah-nen, GSM-R.
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Öffentliche Mobilfunksysteme Hier bestehen europaweite Standards, obwohl es in einzelnen Ländern unterschiedliche Anbieter von Mobilfunknetzen gibt. Es ist möglich, unter einer einzigen Rufnummer in ganz Europa mit einem Gerät mobil erreichbar zu sein oder Meldungen abzusetzen. Da die Netze öffentlich sind, bestehen keine Zugangsbeschränkungen für private Telematik-Dienstanbieter, die einzelne Kommunikationsverbindung muß nur entsprechend abge-rechnet werden. Die eigentlichen Empfangsgeräte sind klein, haben vergleichsweise ge-ringen Stromverbrauch, und es sind am Markt zahlreiche Systeme vorhanden. Die Netzabdeckung ist in einigen Ländern bezogen auf die dortigen Bahnnetze noch ge-ring. Es ist offen, ob private Mobilfunkanbieter ihre Infrastruktur soweit ausbauen, daß auch alle Bahnstrecken vollständig abgedeckt werden. Da Bahnstrecken oft in wenig be-siedelten Gebieten liegen und außerdem für die Kommunikation mit fahrenden Fahrzeu-gen eine relativ hohe Feldstärke bzw. Netzqualität vorliegen muß, müßten hier eventuell Absprachen mit Anbietern getroffen werden, z. B. über Mindestabnahmemengen von Gesprächen, was die Telematik jedoch entsprechend verteuern würde. Grundsätzlich ist die Nutzung öffentlicher Mobilfunksysteme für die Gefahrgut-Telematik empfehlenswert, ein Einsatz ist jedoch von der Netzabdeckung abhängig. GSM-R, das Mobilfunknetz der Bahnen Dieses Mobilfunksystem wurde von der UIC für die europäischen Bahnen standardisiert /51/. Es handelt sich um ein Mobilfunksystem, das europaweit ausgebaut werden soll und dann alle bestehenden Funk-Bahnkommunikationssysteme der verschiedenen Bahngesellschaften ersetzen soll. Das System ist signaltechnisch sicher, kann also auch in der Eisenbahnsicherungstechnik eingesetzt werden. Die Systemkomponenten basie-ren auf handelsüblichen Produkten für die Mobilfunktechnik mit zusätzlicher Software, so daß der Preis für Fahrzeugausstattungen vertretbar sein sollte. Da auf dem System parallel verschiedene Dienste abgewickelt werden sollen, könnte auch die Gefahrgut-Telematik hier kommunizieren. Unter welchen Randbedingungen und zu welchen Kosten ein Zugang für private Telematik-Anbieter möglich ist, bleibt offen. Das Netz befindet sich derzeit im Aufbau, die Netzabdeckung ist in Europa noch sehr ge-ring. Für die Gefahrgut-Telematik ist zu klären, inwieweit auch Netze von Privat- und Anschlußbahnen mit diesem System ausgestattet werden. Für die Gefahrgutwagen mit Telematik ist das System sehr empfehlenswert, wegen des derzeit geringen Ausbauzustandes des Netzes ist das System jedoch derzeit nicht an-wendbar.
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Netzausbau Die Bedeutung des Netzausbaus bzw. der Einrichtung eines Standard mit hoher Verbrei-tung für den Schienenverkehr wird durch die unterschiedliche Netzabdeckung der fol-genden, beispielhaft angeführten, Länder deutlich. Wie deutlich zu erkennen ist, existie-ren immer noch sehr große Bereiche mit geringster oder keiner Netzabdeckung des nor-malen 900- oder 1800 MHz-Standards. Diese Tendenz verstärkt sich in Richtung der GUS-Länder zunehmend. GSM-Netzabdeckung (ausgewählte Gebiete in Europa, Stand VI/99) /52/:
Bild 47: Netzabdeckung D1 (Deutsch-land)
Bild 48: Netzabdeckung D2 (Deutsch-land)
Bild 49: Netzabdeckung France Telecom Mobile 900 (Frankreich)
9.2.3 Satellitenkommunikation Die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Fahrweg erfolgt hier über einen Satelliten. Diese Form der Kommunikation wird z. B. von einigen Telematiksystemen für Kraftfahr-zeuge und Schienenfahrzeuge (Krupp Timtec, Sandy der DB AG) verwendet. Teilweise erfolgt dabei die Ortung und die Kommunikation gemeinsam über einen Satelliten. Die angebotenen Kommunikationssystemen wie IRIDIUM oder INMARSAT sind gegen Bezahlung der Verbindungskosten öffentlich zugänglich. Entsprechende Komponenten für Fahrzeuggeräte sind am Markt vorhanden. Die Netzabdeckung ist theoretisch euro-paweit bzw. weltweit sehr hoch, praktisch jedoch eingeschränkt durch Tunnel, tiefe Ein-schnitte, Gebäude usw. (Es muß "Blickverbindung" zwischen Satellit und Antenne beste-hen). Standardisierungsprobleme zwischen europäischen Ländern entfallen selbstver-ständlich. Es können hohe Datenübertragungsraten erreicht werden.
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Das System ist für Gefahrgut-Telematik sehr gut geeignet, zumal für entsprechende Or-tungssysteme Komponenten am Fahrzeug vorhanden sind (z. B. Antennen). Einziger Nachteil sind die derzeit noch relativ hohen Tarife für Datenverbindungen, die aber wahr-scheinlich mit der Inbetriebnahme weiterer Satellitenkommunikationsnetze noch sinken werden.
9.2.4 Punktförmige Übertragungssysteme Hier erfolgt die Kommunikation zwischen Fahrzeug und ortsfestem Fahrweg über Balisen usw., die im Gleisbereich angeordnet sind und bei Überfahrt des Fahrzeuges kurzfristig eine Datenübertragung in beide Richtungen ermöglichen. Während Balisen und sogenannte Tags bei anderen Telematikanwendungen durchaus geeignet sind, sind sie für die Alarmierung bei Notfällen auf Gefahrgutwagen ungeeignet. Hier muß eine Meldung innerhalb weniger Sekunden weitergegeben werden, was nur möglich ist, wenn das Fahrzeug zu diesem Zeitpunkt zufällig eine Balise befährt. Weiter-hin ist die Netzabdeckung mit bestehenden Balisensystemen gering und diese Systeme verschiedener Bahngesellschaften sind teilweise untereinander inkompatibel. Balisen sind daher für die Kommunikation bei der Gefahrgutwagen-Telematik nicht ge-eignet.
9.2.5 Linienförmige Übertragungssysteme Hier erfolgt die Kommunikation mit Hilfe einer meist zwischen den Gleisen verlegten Lei-terschleife als Antenne und einer Fahrzeugantenne. Die Systeme werden in der Siche-rungstechnik eingesetzt (z. B. LZB in Deutschland). Die Verbreitung der Anlagen be-schränkt sich auf einige Hochgeschwindigkeits- und Hauptstrecken. Wegen der umfang-reichen ortsfesten Infrastruktur wird es nicht zu einem netzweiten Ausbau kommen. Das neue, von der UIC standardisierte System EUROLOOP und ältere, nationale Systeme sind zueinander inkompatibel. Aus den genannten Gründen ist eine Kommunikation Fahrzeug - Fahrweg über linien-förmige Übertragungssysteme für die Gefahrgutwagen-Telematik ungeeignet.
9.3 Übertragungssysteme für die Kommunikation innerhalb eines Zuges
Bei der Gefahrgutwagen-Telematik werden diese Kommunikationswege vor allem zur di-rekten Alarmierung des Lokführers im Notfall benötigt. Weiterhin können durch einen Master - Slave Betrieb mehrere Fahrzeuge eines Zuges Telematik-Komponenten ge-meinsam benutzen. Hierzu würden sich z. B. Ortungsanlagen, Einrichtungen zur Kom-
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munikation zwischen Fahrzeug und ortsfester Infrastruktur, sowie Teile der Auswertelogik oder der Datenspeicherung anbieten.
9.3.1 Zugbus mit durchgehender Datenleitung Bei verschiedenen Zügen werden durchgehende Kabelleitungen zur Kommunikation zwi-schen Fahrzeugkomponenten verwendet. Unter Nutzung dieser Leitungen wird ein Bus-system betrieben, an dem verschiedene Fahrzeugkomponenten angeschlossen sind. Beispiele hierfür sind in Deutschland der CAN - Bus des CargoSprinters /53/ , das Bus-system des ICE und der IBIS Zugbus für den Nahverkehr. Bei Wendezügen wird das Triebfahrzeug über eine Kabelverbindung vom Steuerwagen aus gesteuert. Entspre-chende Komponenten für die Realisierung solcher Bussysteme und für die Kabelverbin-dungen sind also vorhanden /54/. Ein großer Vorteil eines Kabelbussystems ist die Möglichkeit, die Energieversorgung der Telematikwagen über die Kabelverbindung vorzunehmen, da auf dem Triebfahrzeug aus-reichend Energie zur Verfügung steht. Wenn die Telematikwagen ohne Triebfahrzeug abgestellt werden, kann die Energieversorgung über Batterien im Wagen selbst erfolgen, die bei einer Zugfahrt vom Triebfahrzeug aufgeladen werden. Problematisch ist die Kabelverbindung zwischen den Wagen des Zuges, die beim Kup-peln und Entkuppeln entsprechend verbunden oder gelöst werden muß, was einen zu-sätzlichen Aufwand bei Rangiermanövern bedeutet. Weiterhin treten Kompatibilitätsprob-leme auf, wenn die Telematikwagen gemischt mit herkömmlichen Wagen verkehren. Hier muß eine durchgehende Kabelverbindung zum Triebfahrzeug bzw. Bus - Master beste-hen. Letztendlich müßten also alle Wagen mit einer solchen Verbindung ausgestattet werden. Außerdem muß auf dem Triebfahrzeug eine entsprechende Empfangseinrich-tung vorgesehen werden. Entsprechend dann nutzbare Synergieeffekte beschreibt Kapi-tel 11, aber die Realisierung eines solchen Vorhabens ist durch die dafür notwendigen Investitionen nicht absehbar. Dementsprechend werden Kabel - Bussysteme auch hauptsächlich in Zügen eingesetzt, die selten getrennt werden oder bei denen die Kabel-verbindung gemeinsam mit der automatischen Kupplung der Fahrzeuge hergestellt wird. Aus den genannten Gründen ist ein kabelbasiertes Bussystem für den Telematik - Gü-terwagen derzeit nur bei Ganzzügen, die selten getrennt werden, praktikabel.
9.3.2 Alarmpulsationsventil Diese Kommunikationseinrichtung kann eine Warnung von einem beliebigen Wagen ei-nes Zuges aus an den Triebfahrzeugführer übertragen. Eine Kommunikation vom Trieb-fahrzeug zum betroffenen Gefahrgutwagen ist dabei nicht möglich.
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Der Gefahrgutwagen ist mit dem Alarmpulsationsventil ausgerüstet, sonst werden keine weiteren Komponenten benötigt, also auch keine Ausrüstungen auf Wagen zwischen Ge-fahrgutwagen und Triebfahrzeug oder auf dem Triebfahrzeug selbst. Der Gefahrgutwagen entlüftet als Warnung periodisch die Hauptluftleitung des Zuges, so daß die Bremsen des Zuges kurz ansprechen. Beim Ansprechen der Bremsen schließt das Alarmpulsationsventil die Bremsleitung wieder, so daß der Kompressor des Trieb-fahrzeugs den Bremsleitungsdruck wieder auf normales Niveau bringt und sich die Bremsen lösen. Dies wird mehrmals wiederholt. Der Triebfahrzeugführer, der geschult ist, dieses Phänomen zu beachten, bringt den Zug an einer geeigneten Stelle zum Ste-hen und kann den betroffenen Wagen durch optische oder akustische Warnsignale iden-tifizieren. Ein entsprechendes System der Firma Sintro wird derzeit in der Schweiz getes-tet. Für den Gefahrgutwagen ist dieses System als einfaches Instrument zur Warnung des Triebfahrzeugführers gut geeignet.
9.3.3 Zugbus mit Funkverbindung Hier erfolgt die Kommunikation zwischen Fahrzeugen des Zuges über eine direkte Funk-verbindung. Dazu müssen mindestens die Gefahrgutwagen sowie der "Master", in der Regel das Triebfahrzeug, mit entsprechenden Funkanlagen ausgestattet sein. Außerdem ergibt sich bei diesen Systemen das Problem der Zuordnung einzelner Wagen zu einem Zug bzw. die Auflösung dieses Zuges. Im Gegensatz zu einer Kabelverbindung muß au-ßerdem das Problem der Energieversorgung des einzelnen Wagens gelöst werden. Problematisch kann die Kommunikation in 360° Kehrtunneln, die z. B. auf der Gotthard-bahn existieren, mit Funksystemen problematisch sein. Weiterhin müssen für Funkver-bindungen europaweite Standards eingerichtet werden, sowohl hinsichtlich der verwen-deten Frequenzen als auch hinsichtlich des Übertragungsprotokolls und der Identifizie-rung einzelner Fahrzeuge. Kurzstreckenfunk zum nächsten Wagen Von der Firma GE Harris, USA wird das System "Train Talk" angeboten /55/. Hier erfolgt die Busverbindung zwischen Wagen über eine Spread-Spectrum Funkübertragung. Die Funkreichweite beträgt ca. 70 m, so daß einzelne Fahrzeuge ohne Bus überbrückt wer-den können, und es werden keine Steckkontakte zwischen den Wagen benötigt. Wenigs-tens jeder zweite Wagen muß jedoch eine Funkausrüstung besitzen. Die Kommunikation innerhalb des Zuges erfolgt dann durch das Weiterreichen von Datenpaketen von Fahr-zeug zu Fahrzeug. Wenn dieses System auch besser geeignet ist als ein Bus mit Kabelverbindung, so blei-ben die Nachteile der geringen Verbreitung des Systems im europaweiten, gemischten
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Güterverkehr erhalten. Wenn TrainTalk nicht für andere Anwendungen mit extrem kurzen Reaktionszeiten wie bei der elektropneumatischen Bremse eingesetzt werden soll, ist zu überlegen, ob eine wirklich autarke Kommunikationseinrichtung für den Gefahrgutwagen nicht besser geeignet ist. Direkte Kurzstreckenfunkverbindung zwischen Wagen und Triebfahrzeug Denkbar wäre auch eine direkte Funkverbindung zwischen Triebfahrzeug und Telema-tikwagen. Vorteil wäre hier, daß nur das Triebfahrzeug und der Telematikwagen mit einer Kommunikationseinrichtung ausgerüstet werden muß. Allerdings müssen hier Entfernun-gen von bis zu 750 m auch unter widrigen Umständen überbrückt werden, was eine ent-sprechende Leistungsfähigkeit der Funkanlagen mit dementsprechendem Strom-verbrauch bedeutet. Durch die größere Reichweite, die beispielsweise in einem Bahnhof mehrere hundert Wagen einschließt, tritt hier das Problem der Identifizierung einzelner Wagen, der Zuordnung zu Zügen sowie der Konflikte mit anderen Funkdiensten verstärkt auf.
9.3.4 Kommunikation über ortsfeste Anlagen Selbstverständlich ist eine Kommunikation zwischen einzelnen Fahrtzeugen eines Zuges auch über eine ortsfeste "Relaisstelle" möglich. Es können dann Systeme wie GSM - R oder Satellitenkommunikation verwendet werden. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist hier gegenüber einem Bussystem bedeutend lang-samer, so daß Echtzeitanwendungen wie eine Bremsen- oder Triebfahrzeugsteuerung wahrscheinlich nicht möglich sind. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist jedoch mit eini-gen Sekunden ausreichend für die Alarmierung des Triebfahrzeugführers. Eine entsprechende Lösung muß hier noch für die Zugtaufe, die Zuordnung bzw. Identifi-zierung einzelner Wagen als Bestandteile eines Zuges, gefunden werden. Der Gefahrgutwagen muß für den Fall, daß er keinem Zug zugeordnet ist, eine Kommu-nikationsverbindung zu einer ortsfesten Einrichtung besitzen, und auch im Zugverband ist im Notfall so bald wie möglich eine Nachricht an das verantwortliche Stellwerk ab-zugeben. Daher ist für das Gefahrgut-Telematiksystem eine Kommunikation zwischen Fahrzeug und ortsfester Infrastruktur wichtiger. Eine Alarmierung des Triebfahrzeugfüh-rers kann auch indirekt erfolgen, so lange diese Alarmierung durch Automatisierung schnell genug erfolgt.
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10 Alarmierungskonzepte
10.1 Allgemein Das Telematiksystem identifiziert Zustände des Fahrzeuges und der Ladung, die eine unmittelbare Gefahr darstellen oder bei Nichtbeachtung zu einer Gefahr werden könnten. Das System muß dann geeignete Stellen des Systems "Bahn" alarmieren und dorthin In-formationen weiterleiten, so daß Maßnahmen ergriffen werden können, um die Gefah-rensituationen zu bekämpfen bzw. ein Eintreten der Gefahrensituationen zu verhindern.
Im folgenden wird ein Alarmierungssystem für die Gefahrgut-Telematik vorgestellt. Hierzu wird in Kapitel 10.2 eine Stufung von Störfällen vorgeschlagen, in Kapitel 10.3 Randbe-dingungen zur Alarmierung dargestellt, denen Alarmierungskonzepte entsprechen müs-sen. In Kapitel 10.4 wird die derzeitige Form der Alarmierung bei Bahnsystemen in all-gemeingültiger Form erklärt, da das Telematiksystem nur dann Realisierungschancen hat, wenn sich neue Alarmierungskonzepte diesen vorhandenen Strukturen flexibel an-passen, um sie zu nutzen. Kapitel 10.5 führt verschiedene Formen der Alarmierung für den Bahnbetrieb kurz mit ihren Vor- und Nachteilen auf.
In Kapitel 10.6 werden dann zwei Alarmierungskonzepte vorgestellt, ein einfaches Sys-tem, das mit geringem technischen Aufwand arbeitet, aber auch entsprechende Grenzen hat und ein komplexeres System, das als zukünftiges Alarmierungssystem für den tele-matikgesteuerten Gefahrgutverkehr auf der Schiene vorgeschlagen wird. In Kapitel 10.7 wird auf Fragen der Standardisierung in Zusammenhang mit den vorgeschlagenen Alar-mierungssystemen eingegangen.
10.2 Stufung der Prioritäten von Fehlern Bevor der Telematikwagen eine Entscheidung zur Kommunikation mit der Alarmierungs-zentrale oder mit dem Triebfahrzeugführer trifft, müssen die erkannten Fehler nach der Schwere ihrer Auswirkungen beurteilt werden. Entscheidend ist, ob das Auftreten dieses Fehlers zu einem sofortigen Eingriff oder Zughalt führen muß, oder ob genügend Zeit für eine Wartung oder besondere Behandlung zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung steht. In der Informationsverarbeitung sowie im Bereich der Bahntechnik haben sich heute fünf Fehlerklassen zur Beurteilung von auftretenden Fehlern durchgesetzt. Priorität 1: Sofortige Instandsetzung eines Wagens oder Zuges erforderlich.
Betriebsbeeinträchtigungen müssen in Kauf genommen werden. Priorität 2: Sofortige Instandsetzung eines Wagens oder Zuges erforderlich.
Aufschub nur zulässig, wenn sonst massive Betriebsbeeinträchtigungen in Kauf genommen werden müßten.
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Priorität 3: Fehler der Priorität 4, der schon einmal aufgeschoben wurde. Priorität 4: Fehlerbehebung kann bis zur nächst möglichen, vorgezogenen Instandhal-
tung aufgeschoben werden. Priorität 5: Fehlerbehebung kann bis zur nächsten planmäßigen Instandhaltung aufge-
schoben werden. Die geeignete Einstufung auftretender Fehler sollte im Rahmen der Systemauslegung vorgenommen werden. Wichtig dabei ist, daß die Auswirkungen von Sensorsignalen auf das Fahrverhalten und die Systemsicherheit richtig beurteilt werden. In Analogie zu den oben genannten, weit verbreiteten Fehlerprioritäten sollten für den Bereich des Gefahrgutschienengüterverkehrs folgende Modifizierungen berücksichtigt werden, da hier auch fahrsicherheitsrelevante Belange berücksichtigt werden, die in den derzeit geltenden Prioritätsstufen (s.o.) aufgrund der fehlenden Laufdiagnose nicht be-rücksichtigt sind. Priorität 1: Nothalt und Alarmierung von Einsatzkräften Priorität 2: Nothalt Priorität 3: Langsamer sofortiger Halt Priorität 4: Halt an nächster planmäßiger Haltestelle und Außerdienststellung Priorität 4a: Halt an nächster planmäßiger Haltestelle Priorität 5: Außerplanmäßige Wartung erforderlich Priorität 6: Eingriff bei routinemäßiger Wartung notwendig
10.3 Randbedingungen der Alarmierung Bei der Erarbeitung eines Alarmierungskonzeptes sind grundsätzlich die folgenden bei-den grundsätzlichen Fragestellungen zu beantworten:
• Wer muß sofort alarmiert werden, da er den eingetretenen Gefahrenzustand unmit-
telbar abwehren, bekämpfen bzw. verhindern kann? • Welche Informationen müssen sofort vorliegen, um den Gefahrenzustand zu bekämp-
fen oder zu verhindern? Woher stammen diese Informationen?
Bei Gefahrguttransport auf der Schiene müssen diese Fragestellungen unter folgenden Randbedingungen betrachtet werden: • Gefahrgutwagen fahren in ganz Europa, auf Streckennetzen unterschiedlicher Bahn-
verwaltungen, Privatbahnen und auf Werksanschlüssen. Diese Bahnsysteme sind un-terschiedlich organisiert, das Personal spricht keine einheitliche Sprache.
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• Verschiedene Gefahrenzustände am Gefahrgutwagen benötigen unterschiedliche
Strategien zu ihrer Bekämpfung bzw. Vermeidung. Zur Abwehr der Gefahr müssen an verschiedenen, räumlich getrennten Stellen Aktionen stattfinden (z. B. Zug anhalten, Signale für Gegenzüge auf Halt stellen, Stromversorgung der Fahrleitung abstellen).
• Bahnsysteme sind äußerst komplex, sie bestehen aus großen Mengen kostspieliger
Infrastruktur und geschultem Personal. Alle Bahnsysteme haben interne Alarmie-rungswege, Strategien und Organisationsstrukturen, um im Fall einer Gefahr geeigne-te Maßnahmen zu ergreifen. Diese vorhandenen Strukturen sind optimal auf das je-weilige Bahnsystem abgestimmt und sind deshalb zu nutzen. Eine Veränderung die-ser internen Strukturen wäre äußerst kostspielig und zeitaufwendig. Die Alarmie-rungsstrategie der Gefahrgut-Telematik muß daher flexibel genug sein, sich diesen Strukturen bei unterschiedlichen Bahnsystemen anzupassen.
• Bahnsysteme sind stark dezentral organisiert. Die unmittelbare Verantwortung für die
Sicherheit im Zug liegt beim Zugführer (bei Güterzügen ist dies normalerweise der Triebfahrzeugführer). Für ortsfeste Bahnanlagen wie Bahnhöfe und Strecken sowie für die Sicherheit der Zugfahrt ist der Fahrdienstleiter (Betriebsleiter, Stellwerk usw.) verantwortlich. In den meisten Fällen kann nur auf lokaler Ebene schnell in den Be-triebsablauf eingegriffen werden. Übergeordnete Organisationsformen zur zentrali-sierten Steuerung des Bahnbetriebes (z. B. Rechnergestützte Betriebsleitzentralen, Rechnergestützte Zugüberwachung RZÜ), die unmittelbar und direkt in den Bahnbe-trieb eingreifen können, befinden sich im Aufbau (z. B. Betriebszentralen der DB AG), solche Strukturen sind jedoch derzeit nicht überall verfügbar.
• Die Kommunikation der einzelnen Betriebsstellen untereinander und die Befehlsab-
gabe von einer Leitstelle zur untergeordneten Betriebsstelle erfolgt derzeit in vielen Fällen nur fernmündlich bzw. über Telefax und Fax. Es gibt in Europa kein einheitli-ches Kommunikationssystem.
• Die Gefahrensituation kann im Zugverband auftreten, wobei hier sofort eingegriffen
werden muß, weil ein fahrender Zug in den meisten Fällen vorhandene Gefahren po-tenziert. Der Triebfahrzeugführer kann die wichtigste Maßnahme bei unmittelbarer Gefahr, nämlich das kontrollierte Anhalten an einer dafür geeigneten Stelle, sofort durchführen. Andererseits kann ein Gefahrgutwagen auch abgestellt sein, er ist dann keinem Zug zugeordnet. Für die Sicherheit ist in diesem Fall allein eine örtliche Füh-rungsperson (z. B. Betriebsleiter, Fahrdienstleiter, Stellwerk) zuständig.
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10.4 Derzeitiges Alarmierungskonzept bei Bahnen Obwohl verschiedene Bahngesellschaften, Privatbahnen, Werksbahnen usw. sehr unter-schiedlich organisiert sein können, gibt es bei einer grundsätzlichen Betrachtung Paralle-len zwischen diesen Systemen. Bild 55 zeigt die grundsätzliche Struktur eines Bahnsystems bei der Alarmierung wegen einer Gefahr, die von einem Fahrzeug ausgeht. Hierbei ist nicht bestimmt, ob sich das Fahrzeug in einem Zugverband befindet oder nicht. Wie in Bild 55 zu sehen ist, laufen sämtliche Notrufe letztendlich bei einer lokalen Leit-stelle ein, die dann Maßnahmen ergreifen kann. Je nach Sprachgebrauch kann diese Leitstelle als Fahrdienstleiter, Betriebsleitung einer Neben- oder Werkbahn, Betriebszent-rale, Stellwerk, Dispatcher o. ä. bezeichnet werden. Diese lokale Leitstelle ist für einen festgelegten geographischen Bereich der Bahnanlagen inklusive aller Fahrzeuge in die-sem Bereich verantwortlich. Sie kann unmittelbar oder mittelbar durch Befehlsabgabe den Betrieb in diesem Bereich steuern. Im folgenden wird der Verantwortliche in dieser Leitstelle als Fahrdienstleiter bezeichnet. In einem Bahnsystem kann die Gefährdung, die von einem Fahrzeug ausgeht, von ver-schiedenen Beteiligten erkannt werden, die dann einen entsprechenden Notruf absetzen: • Der Zugführer/Triebfahrzeugführer erkennt eine Gefährdung in seinem eigenen Zug.
Er kann erste Maßnahmen wie z. B. eine Notbremsung vornehmen. Anschließend benachrichtigt er den zuständigen Fahrdienstleiter über Zugfunk oder Streckenfern-sprecher. Dabei ist am Streckenfernsprecher lokal die Rufnummer des zuständigen Fahrdienstleiters angegeben, das Zugfunksystem stellt automatisch eine entspre-chende Verbindung über die nächste ortsfeste Empfangsstelle her.
• Der Lokführer eines Gegenzuges erkennt die Gefahr. Er verständigt den Fahrdienst-
leiter über Zugfunk oder fernmündlich nach Halt am nächsten Fernsprecher, Bahnhof usw., der Fahrdienstleiter stoppt den gefährdeten Zug durch Signal oder über Funk.
• Ein Betriebsangehöriger (z. B. ein Rangierer, Schrankenposten, Ladearbeiter auf
Firmengelände) erkennt die Gefahr, er benachrichtigt den Fahrdienstleiter über Funk, Telefon oder persönlich.
• Ein Passant bemerkt die Gefahr, er benachrichtigt einen Betriebsangehörigen, der
den Notruf weiterleitet, oder er setzt einen Notruf ab (z. B. 110, 112). Die örtliche Not-rufzentrale der Polizei bzw. Feuerwehr verständigt den Fahrdienstleiter und leitet selbst erste Maßnahmen ein.
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• Wenn einer übergeordneten Stelle eine Gefahrensituation bekannt wird, benachrich-tigt sie den bzw. die ihr untergeordneten, zuständigen Fahrdienstleiter. Diese Benach-richtigung erfolgt derzeit in vielen Fällen noch fernmündlich bzw. mit Fernschrei-ber/Fax. Effektivere Kommunikationsmethoden, die ein direktes Fernstellen bzw. Fernsteuern der Bahnanlagen erlauben, werden eingeführt.
• Nicht in Bild 55 dargestellt sind Meldungen von lokalen Einrichtungen wie Heißläufer-
ortungsanlagen usw., die meistens an das lokale Fahrdienstleiterstellwerk oder an ei-ne Betriebszentrale angeschlossen sind.
110112
ZugfunkFunk,...
Zugfunk
Notruf
Betriebszentrale /Fahrdienstleiter
RechnergestützteBetriebsleitzentrale
112
TUIS
andereFahr dienst leit er
auchGegenzüge
DB AG Not fallmanager
weit er eMaßnah-men
Durchsage
Bild 55: Alarmierung heute
Der Fahrdienstleiter / Betriebszentrale wertet die eingehenden Notrufe aus, bestimmt letztendlich selbständig, welche Maßnahmen zu ergreifen sind und alarmiert verschie-dene Stellen bzw. leitet vom Stellwerk her Maßnahmen ein. Dazu zählen im akuten Not-fall, also bei Gefahr im Verzug, z. B. folgende Maßnahmen:
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• Anhalten des betroffenen Zuges durch Zugfunk und Signalstellung, soweit die Mel-dung nicht durch den Triebfahrzeugführer des Zuges erfolgte.
• Anhalten von nachfolgenden Zügen, soweit dies nicht automatisch vom Strecken-
block usw. vorgenommen wird. Anhalten bzw. Alarmierung von Gegenzügen bei zweigleisiger Strecke, da der gefährdende Zug das Lichtraumprofil des Gegengleises verletzten könnte.
• Fahrstraßeneinstellung, um den gefährdeten Zug auf ein Nebengleis zu leiten bzw.
andere Züge umzuleiten. • Abschalten und Erden der Fahrleitung im betroffenen Abschnitt • Bei einem stehenden Fahrzeug im Bahnhofsbereich Warnung von Betriebsangehöri-
gen und Passanten beispielsweise per Lautsprecherdurchsage • Benachrichtigung benachbarter Fahrdienstleiter, so daß auch hier entsprechende
Maßnahmen eingeleitet werden können. • Einleitung von betriebsinternen Gegenmaßnahmen durch Benachrichtigung von Not-
fallmanager, Betriebsfeuerwehr usw. • Alarmierung öffentlicher Hilfsdienste wie Feuerwehr usw. • Verständigung der übergeordneten Leitstelle zur Einleitung weiterer Maßnahmen Die übergeordnete Leitstelle, das betriebsinterne Notfallmanagement oder die öffentli-chen Hilfsdienste können dann weitere Maßnahmen ergreifen und Alarmierungen auslö-sen. Beim Gefahrguttransport in Deutschland zählt hierzu auch das Einholen von Infor-mationen bzw. die Absendung eines Hilfeersuchens an TUIS, dem Transport Unfall In-formations- und Hilfeleistungssystem der deutschen Chemieindustrie /56/, nach dessen Vorbild sich derzeit europaweit ein ähnliches Hilfssystem im Aufbau befindet und bereits erste Einsätze ausführt. Wenn der Fahrdienstleiter bei seiner Alarmierung erkennt, daß keine unmittelbare Gefahr im Verzug ist, kann er in Kooperation mit benachbarten Fahrdienstleitern und der über-geordneten Leitstelle zahlreiche präventive Maßnahmen ergreifen, wie z. B. das Anhal-ten des Zuges im nächsten Bahnhof, das Aussetzen des betroffenen Wagens, die wa-gentechnische Untersuchung des Wagens usw.
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Das in diesem Kapitel beschriebene, bestehende Alarmierungskonzept zeichnet sich durch seine stark dezentrale Struktur aus, so daß es flexibel auf unterschiedliche Gefah-rensituationen reagieren kann. Durch die Einführung des Telematik-Gefahrgutwagens können folgende Aspekte des bestehenden Alarmierungskonzeptes verbessert werden: • Da der Telematik-Gefahrgutwagen selbständig eine Alarmierung auslöst, werden Ge-
fahrenzustände eher erkannt, möglichst bevor von einer Störung eine akute Gefähr-dung ausgeht.
• Die Weitergabe von Informationen erfolgt beim bestehenden System in vielen Fällen
mündlich, wobei es leicht zu Mißverständnissen kommen kann. Das Telematiksystem gibt exakte Daten aus, die in schriftlicher Form als Bildschirmanzeige, Fax o. ä. gege-ben werden.
• Gerade bei Störungen und Unfällen mit Gefahrgut sind die Kenntnis von der Art des
Gefahrgutes sowie verschiedener Sekundärinformationen und Sicherheitshinweise zur Ladung extrem wichtig. Diese Information kann derzeit oft nur durch Augenschein bzw. durch Rückfragen in Erfahrung gebracht werden. Sie ist in der Regel kein direk-ter Bestandteil einer ersten Alarmierung.
• Während ein großer Teil der Mitarbeiter im Bahnbetrieb eine grundsätzliche Schulung
im Umgang mit Gefahrgut hat, wäre es trotzdem vorteilhaft, diesen Mitarbeitern im Gefahrfall auch zu ihrer eigenen Sicherheit möglichst schnell zusätzliche Informatio-nen über übliche Sicherheits- und Abwehrmaßnahmen usw. übermitteln zu können.
10.5 Vor- und Nachteile möglicher Alarmierungsformen Im folgenden werden mögliche Formen der Alarmierung innerhalb des unter Kapitel 10.4 beschriebenen Systems dargestellt und auf ihre Eignung hin bewertet.
10.5.1 Direkter Eingriff des Telematik-Wagens in den Betrieb Hierbei löst der Telematikwagen im Fall einer Gefahrensituation direkt eine Notbremsung aus, indem er die Hauptluftleitung entleert. Ein solches System von der Firma OKE wird derzeit in der Schweiz getestet /57/. Vorteil des Systems ist der einfache Aufbau, da keine Kommunikationseinrichtungen und keine ortsfeste Infrastruktur oder Einrichtungen auf dem Triebfahrzeug benötigt werden. Nachteilig ist, daß auf das Erkennen der Gefahrensituation unmittelbar die Notbremsung eingeleitet wird. Durch das unkontrollierte Bremsen kann eine gefährliche Situation noch verschlechtert werden. Beispielsweise kann der Zug auf einer Brücke zum Stehen kom-men, wo Hilfsleistungen schwierig sind oder im Tunnel oder in dichtbesiedeltem Gebiet, wo ein Brand oder austretende Chemikalien potentiell wesentlich gefährlicher sind, als
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wenn der Zug noch einige Kilometer weiter fährt, bevor er an einer geeigneten Stelle angehalten wird. Grundsätzlich besteht für den einzelnen Gefahrgutwagen das Problem, daß der Wagen trotz ausgefeilter Logik bei der Evaluierung einer potentiell gefährdenden Situation nur auf seine eigene Sensorik und wenige, vorgespeicherte Informationen zurückgreifen kann und daher Situationen nicht vollständig überblicken kann. Auch aus diesem Grund ist die direkte Beeinflussung von Sicherungseinrichtungen (z. B. Haltstellung eines Sig-nals durch direkte Kommunikation Gefahrgutwagen-Signal) nicht empfehlenswert. Des weiteren wird dabei in sicherheitstechnische Einrichtungen der Bahnen eingegriffen, was in der Praxis bei der Einführung aufwendige Genehmigungs- und Zulassungsproze-duren nach sich zieht. Da in Europa zahlreiche unterschiedliche Sicherungs- und Signal-systeme im Einsatz sind, gäbe es weiterhin Probleme bei der Standardisierung. Weiterhin funktioniert das System der direkten Beeinflussung nur bei fahrendem Zug und nicht bei abgestellten Wagen. Weitere Informationen über die Art des Notfalls usw. wer-den nicht gegeben.
10.5.2 Alarmierung durch Warnlampen, Sirene usw. Wenn das Telematiksystem im Gefahrgutwagen eine Unregelmäßigkeit oder eine Ge-fährdung registriert, warnt es die Umgebung durch Blinklichter, Sirenen usw. Auch dieses System zeichnet sich durch einfachen Aufbau ohne Kommunikationsinfra-struktur aus. Es funktioniert grundsätzlich bei abgestellten und fahrenden Wagen und ist preisgünstig. Es werden jedoch keine Angaben über die Art des Notfalls gemacht und es wird nicht sichergestellt, daß die Warnung von Umstehenden auch bemerkt wird und daß dann entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Der Triebfahrzeugführer wird den Notfall bei dieser Art der Warnung eher indirekt über Meldungen von entgegenkommen-den Zügen oder anderen Eisenbahnern an den Fahrdienstleiter bemerken. Sehr nützlich ist diese Art der Alarmierung als sekundäres System, um den betroffenen Wagen bei einer Alarmierung durch ein anderes System in einer größeren Wagengruppe einwandfrei zu identifizieren, beispielsweise in einem Zug mit mehreren baugleichen Wagen oder auf einem größeren Bahnhof. Es könnten dann für die Ortung auch relativ ungenaue Angaben ausreichen, die die Helfer nur grob an den Ort der Gefahr heranfüh-ren. Es wird daher empfohlen, die unmittelbare optische und akustische Alarmierung gemein-sam mit anderen Alarmierungsformen einzusetzen.
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10.5.3 Gefahrgutwagen meldet an Triebfahrzeugführer Im Fall einer Gefahr setzt der Gefahrgutwagen eine Meldung an das Triebfahrzeug des Zuges ab. Diese Form der Alarmierung benötigt mit Ausnahme eines Einsatzes des im Text beschriebenen Pulsationsbremsventils eine Kommunikationsinfrastruktur. Die Mel-dung des Gefahrgutwagens an den Triebfahrzeugführer funktioniert nur, wenn das Fahr-zeug einem Zug zugeteilt ist (Problem Zugtaufe), nicht bei abgestellten Wagen. Wenn neben der reinen Meldung, daß eine Gefahr vorliegt, noch weitere Angaben erfol-gen sollen, so ist zu berücksichtigen, wie dies beim internationalen Einsatz für Fahrzeug-führer mit verschiedener Muttersprache erfolgt. Möglich wären hier vereinheitlichte Sym-bole bzw. Ausdrücke (mit den Problemen der Standardisierung) oder eine "Mehrspra-chigkeit" des Telematikwagens bzw. ein "Dolmetschen" des Empfangsgerätes im Trieb-fahrzeug. Diese Alarmierungsmethode hat den Vorteil, daß der Triebfahrzeugführer unmittelbar in das Geschehen eingreifen kann und über die Kommunikationssysteme der Lok weitere Meldungen absetzen kann. Zu seiner eigenen Sicherheit sollte der Triebfahrzeugführer eine grundsätzliche Ausbildung über das Verhalten bei Notfällen mit Gefahrgutwagen haben. Wie wichtig eine solche Ausbildung ist, zeigt der Entgleisungsunfall am 2.3.99 auf der Neubaustrecke Hannover Würzburg der DB AG. Hier stoppte der Triebfahrzeugführer eines Güterzuges mit einem erst entgleisten und dann in Brand geratenen Güterwagen im Tunnel, wobei die Auswirkungen des Unfalls durch den im Tunnel nur schwer zu be-kämpfenden Brand und durch Beschädigungen im Tunnelbereich erheblich vergrößert wurde./58/ Die Methode der Alarmierung ist daher grundsätzlich empfehlenswert, Probleme der di-rekten Kommunikation zwischen Gefahrgutwagen und anderen Komponenten des Bahn-systems werden in Kapitel 10.5.5 dargestellt.
10.5.4 Gefahrgutwagen meldet an den Fahrdienstleiter bzw. an die Betriebsleit-zentrale
Bei einem Notfall sendet der Wagen eine Meldung direkt an den Fahrdienstleiter bzw. an die Betriebsleitzentrale. Hier können sämtliche Maßnahmen direkt oder durch Befehlsab-gabe an untergeordnete Stellwerke usw. getroffen werden. Über die Signalanlage oder über Zugfunk wird der Zug gegebenenfalls zum Stehen gebracht. Das System funktio-niert sowohl bei der Zuordnung des Wagens zu einem Zug als auch bei einem autarken Wagen. Schwierig ist die Zuordnung des Wagens zur richtigen Betriebsleitzentrale bzw. zum rich-tigen Fahrdienstleiter, die für die Zugfahrt bzw. den Wagen zuständig sind. Dies ist ab-
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hängig davon, wo der Wagen sich zum Zeitpunkt der Meldung befindet. Kommunikati-onssysteme, die den Wagen grundsätzlich mit der entsprechenden Leitstelle verbinden könnten (z. B. Linienleiter, Balisen, bestimmte Funksysteme) sind aufwendig und in Eu-ropa nicht einheitlich und nicht durchgehend vorhanden. Die Methode der Alarmierung ist grundsätzlich empfehlenswert, Probleme der direkten Kommunikation zwischen Gefahrgutwagen und anderen Komponenten des Bahnsystems werden in Kapitel 10.5.5 dargestellt.
10.5.5 Grundsätzliche Probleme einer direkten Kommunikation zwischen Tele-matik - Wagen und anderen Teilnehmern des Systems Bahn
Die direkte Kommunikation des Gefahrgutwagens mit Triebfahrzeugführer bzw. Infra-struktureinrichtungen hat grundsätzlich folgende Probleme: • Der Gefahrgutwagen muß die verantwortliche Lok (Zugtaufe) bzw. die verantwortliche
Betriebsstelle ansprechen (Zuordnung von Ortskoordinaten zu Betriebsstellen). Dies muß europaweit erfolgen.
• Für zusätzliche Informationen über die Ladung usw. sowie zur Zuordnung des Wa-
gens zu Zügen und zu verschiedenen Stellwerksbereichen müssen zahlreiche Daten auf dem Gefahrgutwagen vorgehalten werden. Die Vorhaltung und Übertragung die-ser Daten, aber vor allem die Datenpflege und Aktualisierung bilden ein großes orga-nisatorisches Problem.
• Sowohl auf dem Gefahrgutwagen als auch auf Triebfahrzeugen und Betriebsstellen
müssen Kommunikationseinrichtungen vorhanden sein, die miteinander kompatibel sind. Obwohl es Normen für entsprechende Kommunikationsanlagen auf UIC Basis gibt, konnten sie sich noch nicht bei allen Bahnen durchsetzen. Derzeit und wahr-scheinlich auch in nächster Zukunft sind in Europa noch eine Vielzahl unterschiedli-cher Einrichtungen in Betrieb, wobei auch Werkbahnen und Privatbahnen zu berück-sichtigen sind. Die Einrichtung multimodaler Kommunikationssysteme beim Telema-tikgüterwagen ist kostspielig.
• Logische Schnittstellen zur Kommunikation zwischen Gefahrgutwagen und Triebfahr-
zeug bzw. Betriebsstelle müssen vorgehalten werden. Dies führt entweder zu multi-modalen und damit aufwendigen Übertragungsprotokollen oder es ist eine Einigung auf europaweite Standards notwendig. Diese weitgehende Standardisierung ist neben der damit verbundenen organisatorischen Probleme in einem derart frühen Stadium für weitere Entwicklungen der Telematik eher hinderlich, da ein Wettbewerb zwischen grundsätzlich unterschiedlichen Systemen eingeschränkt wird.
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• Um diese Probleme zu umgehen, wird die Einrichtung von Alarmierungszentralen
empfohlen, die im Kapitel 10.6.2 beschrieben werden.
10.6 Alarmierungskonzepte Im folgenden werden zwei Konzepte zur Alarmierung der zuständigen Stellen bei einem Notfall auf einem Telematikwagen beschrieben. Das erste System, "Telematik Now", ist ein einfaches Konzept um einige Vorteile von Telematik unmittelbar im europäischen Ge-fahrgutverkehr nutzen zu können. Das zweite System, "Telematik mit Alarmierungszent-rale" bietet eine vollständige Nutzung der Gefahrgut-Telematik bei mittelfristiger Umsetz-barkeit und mit überschaubaren Investitionen. Beide Systeme setzen auf das bei Bahnen in Europa übliche Alarmierungssystem aus Kapitel 11.3 auf.
10.6.1 Ein einfaches Konzept zur Alarmierung "Telematik Now" Das erste Konzept stellt eine einfache Möglichkeit dar, Telematik-Gefahrgutwagen im eu-ropäischen Eisenbahnnetz einzusetzen, ohne wesentliche Veränderungen bei bestehen-den Bahnsystemen vorzunehmen. Das System braucht keine Kommunikationsinfrastruk-tur. Der Telematik Gefahrgutwagen ist mit einer optischen und akustischen Signaleinrichtung ausgestattet. Außerdem besitzt er ein Pulsationsbremsventil. Wenn die Telematikeinrich-tung einen Notfall erkennt, warnt der Wagen durch die Signaleinrichtung seine Umge-bung. Betriebspersonal, Lokführer anderer Triebfahrzeuge oder auch Passanten alarmie-ren wie in 11.3 beschrieben den Fahrdienstleiter, der weitere Maßnahmen einleitet und den Zug gegebenenfalls durch Signalstellung oder Zugfunk stoppt.
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110112
ZugfunkFunk,...
Zugfunk
Notruf
Betriebszentrale /Fahrdienstleiter
RechnergestützteBetriebsleitzentrale
112
TUIS
andereFahrdienstleiter
auchGegenzüge
DB AG Notfallmanager
weitereMaßnah-men
Durchsage
Bild 56: Alarmierung mit Pulsationsbremsventil “Telematik now”
Wenn der Telematikwagen sich zum Zeitpunkt des Notfalls in einem Zugverband befin-det, warnt er zusätzlich den Triebfahrzeugführer mit dem Pulsationsbremsventil. Der Wa-gen entlüftet periodisch die Hauptluftleitung des Zuges, so daß die Bremsen des Zuges kurz ansprechen. Beim Ansprechen der Bremsen schließt das Pulsationsventil die Bremsleitung wieder, so daß der Kompressor des Triebfahrzeugs den Bremsleitungs-druck wieder auf normales Niveau bringt und sich die Bremsen lösen. Dies wird mehr-mals wiederholt. Der Triebfahrzeugführer, der geschult ist, dieses Phänomen zu beach-ten, bringt den Zug an einer geeigneten Stelle zum Stehen und kann den betroffenen Wagen durch die optischen und akustischen Warnsignale identifizieren. Er kann dann entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten und über Streckentelefon oder Zugfunk den zuständigen Fahrdienstleiter informieren, der seinerseits geeignete Maßnahmen vor-nimmt und Dritte alarmiert. Das Alarmierungssystem stellt eine klare Verbesserung gegenüber dem derzeitigen Si-cherheitsstandard dar und hat weiterhin folgende Vorteile: • Keine Investitionen in Infrastruktur außerhalb des Gefahrgutwagens bis auf Personal-
schulung.
120
• Keine Neuorganisation des Bahnbetriebs, da jede Bahngesellschaft ihre gewohnten Alarmierungswege beibehält; gleichzeitig flexibel bei Änderungen der Betriebsfüh-rung; europaweit einsetzbar
Ein so einfaches System hat natürlich gegenüber fortgeschrittenen Anwendungen auch Nachteile:
• Es werden keinerlei Informationen über die Art des Notfalls gegeben und es gibt auch
keine Sekundärinformation. Vor allem beim Austreten von Gefahrgütern, die gesund-heitsschädlich sind, können daher uninformierte Personen, die durch den Alarm her-beigerufen werden und sich nun dem Wagen nähern, um ihn zu untersuchen oder den Alarm abzustellen, gefährdet werden.
• Außerhalb des Zugverbandes gibt es keine Gewährleistung, daß die Gefahrenmel-
dung des Systems überhaupt wahrgenommen und rechtzeitig erkannt wird. • Das Konzept ist nur als reine Gefahrgutanwendung nutzbar. Ohne Kommunikations-
einrichtungen sind Synergieeffekte bei der Einführung des Telematiksystems nicht ausschöpfbar.
Trotz der genannten Nachteile eignet sich das System, um den Sicherheitsstandard von Gefahrguttransporten kurzfristig zu erhöhen. Da bis auf das Pulsationsbremsventil alle Komponenten des Systems auch in fortgeschrittenen Gefahrgut-Telematiksystemen nutzbar sind, kann dieses Alarmierungskonzept auch zur Einführung von Telematik ein-gesetzt werden, bis entsprechende Kommunikationsinfrastruktur bereitsteht. Desgleichen könnte das Alarmierungskonzept als Rückfallebene genutzt werden, wenn nur auf Teilen des befahrenen Netzes Kommunikationssysteme bereitstehen oder diese ausfallen.
10.6.2 Telematik mit Alarmierungszentrale Die in Kapitel 10.5.5 beschriebenen Probleme einer direkten Alarmierung zuständiger Betriebsstellen oder des Triebfahrzeugführers führt zu dem Vorschlag, eine Alarmie-rungszentrale zwischen Telematikwagen und Triebfahrzeugführer bzw. Betriebsstellen einzusetzen. Diese Alarmierungszentrale arbeitet folgendermaßen: Im Gefahrfall schickt der Telematikwagen an die Alarmierungszentrale ein Notsignal. Die Kommunikation zu dieser einen Zentrale, die für den Wagen zuständig ist, ist die einzige Kommunikationsverbindung, die der Telematikwagen im Notfall aufbauen muß. Die Zent-rale ist für den Wagen in ganz Europa unter einheitlicher Kennung erreichbar (vergleich-bar einer E-mailadresse oder einer internationalen Telefonnummer).
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In der Zentrale wird der Wagen identifiziert, hier werden aktuelle Daten von verschiede-nen Seiten vorgehalten und ständig aktualisiert, oder es bestehen Hochleistungs-Datenverbindungen zu verschiedenen Datenbanken. Mit der Alarmierung, bei der der Wagen seine eigene Identitätsnummer, seine Position als Längen- und Breitengrad, so-wie Informationen zur Art der Gefahr, zu seiner Ladung usw. angibt, beginnt die Alarmie-rungszentrale automatisch einen Alarmierungsdatensatz zusammenzustellen, wobei sie sich der vorliegenden Datenbanken bedient. • Aus der Positionsmeldung und aktuellen, digitalen Karten erkennt die Alarmierungs-
zentrale auf welcher Strecke, auf welchem Bahnhof in welchem Bahnnetz sich der Wagen befindet und ob es sich um eine nationale Bahngesellschaft, eine Privatbahn oder eine Werksbahn handelt. Sie identifiziert zuständige örtliche Betriebsstellen, die zu benachrichtigen sind. In einer Adressendatei sind die Adressen und die mögliche Art der Benachrichtigung an diese Betriebsstellen verzeichnet.
• Aus den Daten des Wagens identifiziert die Alarmierungszentrale den Wageneigen-
tümer und es sind zusätzliche Kenndaten des Wagens wie Wagengattung usw. abge-legt und abrufbar. Gegebenenfalls wird der Eigentümer benachrichtigt.
• Aus den Informationen, die der Telematikwagen schickte, aus dem elektronischen
Frachtbrief, den die Alarmierungszentrale bei der Beladung des Wagens erhielt oder aus einer Kette von Links über den Wageneigner, Wagenvermieter usw. zum derzei-tigen Nutzer des Wagens, identifiziert sie die Art der Ladung, sowie den Versender und den Empfänger. Aus einer Gefahrgut-Datenbank können zusätzliche Informatio-nen zur Ladung und über Spezialisten zur Gefahrgutbekämpfung abgefragt werden. Versender, Empfänger sowie zusätzliche Hilfskräfte werden bei Bedarf benachrichtigt.
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Verlader
SpediteurWagenei-gentümer
TUIS
110112
ZugfunkFunk,...
Zugfunk
Notruf
Betriebszentrale /Fahrdienstleiter
RechnergestützteBetriebsleitzentrale
112
TUIS
andereFahrdienstleiter
auchGegenzüge
DB AG Notfallmanager
weitereMaßnah-men
Durchsage
Bild 57: Alarmierung mit Alarmierungszentrale
Aus den Daten stellt die Alarmierungszentrale ein Alarmierungs-Datenpaket zusammen, das sie anschließend an die zuständigen Betriebsstellen schickt. Die Datenübertragung kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, wünschenswert, aber mit Investitionen verbun-den, ist eine Übertragung per Datenfunk, Internet o. ä.. Dies ist davon abhängig, welche Infrastruktur die entsprechende Betriebsstelle besitzt. Anfangs ist auch die Generierung eines Telefaxes möglich. Es bleibt einer vorab erfolgten, grundsätzlichen Vereinbarung zwischen Bahngesellschaft und Alarmierungszentrale vorbehalten... • ... welche Betriebsstelle bei Notfällen auf einzelnen Strecken alarmiert werden. Dies
können übergeordnete Leitstellen sein, z. B, eine RZÜ, wobei eine leistungsfähige Datenverbindung zur Alarmierungszentrale besteht. Bahnintern erfolgt dann die Wei-tergabe der Alarmierung an untergeordnete Stellen und über Funk oder Signalstel-lung an den Triebfahrzeugführer. Möglich ist aber auch eine direkte Alarmierung des Fahrdienstleiters vor Ort mit Fax oder modernen Kommunikationssystemen. Selbst der Triebfahrzeugführer könnte direkt alarmiert werden, wenn es entsprechende Kommunikationsverbindungen gibt, z. B. ein Satellitenhandy?
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• ... mit welchen Kommunikationssystemen und -standards die Benachrichtigung erfolgt (z. B. Standleitung mit Internet, Datenfunk, Fax, Telex usw. als ASCII oder Binärdatei usw.)?
• ....welchen Inhalt die Benachrichtigung hat (z. B. welche Informationen, welche Spra-
che usw.)? Örtliche Stellen leiten letztendlich Gegenmaßnahmen ein, wobei durch die automatische Generierung und Weiterleitung der Daten bei leistungsfähigen Verbindungen nur wenige Sekunden zwischen erster Identifizierung einer Gefahrensituation im Telematikwagen und der Alarmierung zuständiger Stellen vergeht. Eine direkte Alarmierung des Triebfahrzeugführers kann entweder durch eine direkte Kommunikationsverbindung Gefahrgutwagen-Triebfahrzeug erfolgen, was kostspielig und mit den in Kapitel 10.5.5 beschriebenen Problemen behaftet ist, oder durch eine Verbindung Alarmierungszentrale-Triebfahrzeug z. B. mit Satellitenhandy. Grundsätzlich kann es in Europa verschiedene Alarmierungszentralen geben, die unter-einander konkurrieren. In der aktuellen Phase der Telematik ist eine Konkurrenz unter-schiedlicher Systeme und Ansätze eher wünschenswert. Es muß nur für den einzelnen Telematikwagen feststehen, welcher Zentrale er angehört. Die Alarmierungszentrale muß sich mit den Bahnbetreibern über die Modalitäten der Alarmierung einigen. Die Alarmierungszentrale hat Zugang zu zahlreichen Informationen, die für Unterneh-men, die untereinander im Wettbewerb stehen, äußerst brisant sind. Daher muß die Kommunikation zwischen Gefahrgutwagen und Zentrale verschlüsselt sein und die Alar-mierungszentrale muß das Vertrauen aller Beteiligten genießen. Aus den genannten Gründen gibt es verschiedene mögliche Organisationsformen für die Alarmierungszentrale: • Ein Telematik-Dienstleister betreibt eine Alarmierungszentrale für die Kunden, die
seine Telematiksysteme nutzen. Der Dienstleister stellt auch die Fahrzeugeinrichtun-gen zur Verfügung.
• Eine Güterbahngesellschaft, eine Spedition, ein großes Unternehmen im Gefahrgut-bereich oder der Inhaber einer Fahrzeugflotte betreibt eine Alarmierungszentrale für die eigenen Fahrzeuge, Behälter oder Güter.
• Ähnlich TUIS findet ein Zusammenschluß nationaler oder europäischer Gruppen, die am Gefahrguttransport beteiligt sind, statt, die gemeinsam eine Alarmierungszentrale betreiben.
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Neben der Alarmierung in Notfällen können mit der Rechenleistung und der Kommunika-tionsinfrastruktur der Alarmierungszentrale auch zusätzliche Synergieeffekte, wie sie in Kapitel 11 dargestellt sind, genutzt werden, da auch hier die Kommunikation zwischen Anwender und Telematikfahrzeug meistens über eine Zentrale verläuft. Auch eine Über-wachung weiterer Telematiksysteme z. B. von LKW - Transporten oder der Bewegung von Behältern ist aus der Alarmierungszentrale möglich.
10.7 Standardisierung von Schnittstellen Eine Standardisierung ist bei der Nutzung des Alarmbremsventils nur in geringem Maße nötig. Das Ventil nutzt UIC Standards über die Druckluftbremse, die nicht verändert wer-den müssen. Das Verhalten bei Ansprechen des Pulsationsbremsventils müssen Bahn-gesellschaften, Werksbahnen usw., selbständig in ihre Vorschriften aufnehmen. Bei der Verwendung der Alarmierungszentrale werden individuelle Lösungen bei den Te-lematikwagen und den Zentralen unterstützt. Erst nachdem die technischen Entwicklun-gen auf diesem Bereich ausgereift sind, sollten entsprechende Standards getroffen wer-den. Erleichtert wird dies durch die Kurzlebigkeit von Rechen- und Kommunikationssys-temen, die einen entsprechenden Austausch erleichtern. Nur die Schnittstelle zwischen Alarmierungszentrale und einzelnen Bahngesellschaften sollte möglichst bald standardisiert werden, wobei sich die Standardisierung mehr auf den Inhalt und die Form des Alarmierungsprotokolls beziehen muß (z. B. ASCII in engli-scher Sprache, erste Zeile Streckennummer wo Notfall vorgefallen ist ... usw.) , als auf die Art der Datenübertragung. Durch diese frühe Standardisierung können unterschiedliche Alarmierungszentralen eine Bahngesellschaft ansprechen. Der Markt bleibt transparent, da neue Mitbewerber jeder-zeit die offenen Übertragungsprotokolle nutzen können. Andererseits kann eine Alarmie-rungszentrale verschiedene Bahngesellschaften, deren Strecken von Gefahrgutwagen befahren werden, mit dem gleichen Protokoll ansprechen z. B. große Bahnunternehmen, Privatbahnen, Werksbahnen usw., was die Sicherheit erhöht. Durch einen festgelegten Inhalt der Alarmierung können vor allem größere Bahnunter-nehmen außerdem interne Notfallstrategien entsprechend anpassen. Durch Personal-schulung und durch den gegenwärtig durchgeführten Aufbau von neuen Kommunikati-onsnetzen usw. werden hier hohe Investitionen getätigt. Für Bahnen ist es sinnvoll, bei diesen Entwicklungen die Alarmierung durch Alarmierungszentralen mit zu berücksichti-gen. Dabei muß Planungssicherheit herrschen, da Anpassungen an geänderte Alarmie-rungsformen aufwendig wären.
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11 Synergieeffekte
11.1 Allgemein Der vorliegende Bericht konzentriert sich weitgehend auf die Anwendung von Telematik Verringerung von Unfallfolgen nach dem Auslösen eines Unfalles und zur Vermeidung bzw. Abwendung von akuten Gefahrensituationen beim Transport von Gefahrgut im Schienengüterverkehr. Die in den vorhergehenden Kapiteln dargestellten Einrichtungen und Methoden verbessern den Sicherheitsstandard von Gefahrguttransporten. Dazu werden zusammenfassend folgende Systembausteine benötigt:
• Stromversorgung auf Gefahrgutwagen
• Methoden zur Messung relevanter Größen am Gefahrgutwagen
• Datenspeicher für Informationen wie Fahrzeugidentität, Art der Beladung usw.
• Bordrechner zur Evaluierung der Meßwerte und zur Steuerung der Fahrzeugeinrich-tungen
• Positionsbestimmung des Wagens
• Kommunikationsmöglichkeit zwischen Gefahrgutwagen und Triebfahrzeugführer bzw. ortsfesten Anlagen
• Infrastruktur, um auf Gefahrenmeldungen angemessen zu reagieren
• Komponenten zur Funktionsüberwachung der Fahrzeugfunktionen sowie Infrastruktur und Organisation zur Wartung der Fahrzeugeinrichtungen.
Die Einrichtung und der Betrieb der genannten Systeme sind kostspielig. Für jeden Gü-terwagen ist mit Investitionen für die Beschaffung und die Installation entsprechender Systemkomponenten auf den Wagen selbst, sowie für die Einrichtung ortsfester Anlagen zu rechnen. Hinzu kommen Betriebskosten z. B. für Personal in einer Meldezentrale, für die Nutzung von Kommunikations-Dienstleistungen (Gebühren) und für Unterhaltung und Wartung an Fahrzeugen. Gleichzeitig ist der unmittelbare finanzielle Nutzen des erhöhten Sicherheitsstandards für die am Gefahrguttransport beteiligten Parteien schwierig zu bemessen. Folgende finan-zielle Vorteile ergeben sich aus dem Einsatz von Telematik zur Erhöhung des Sicher-heitsstandards:
• Mögliche Reduzierung von Versicherungsprämien
• Vermeidung von Schäden und finanziellen Forderungen infolge von Unfällen
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• Erhöhter Sicherheitsstandard als Systemvorteil, der bei sonst mit der Konkurrenz ver-gleichbaren Randbedingungen (Transportpreis usw.) beim Kunden zur Entscheidung für den Schienentransport führen könnte.
• Imagegewinn („Die tun was“, „Umwelt“), der in der Gesellschaft zu positiver Einstel-lung gegenüber dem Transport bzw. den beteiligten Unternehmen führt und so bei-spielsweise die Schaffung restriktiver und damit für beteiligte Unternehmen kostspieli-ger Gesetze und Verordnungen vereitelt.
• Wartungskostenreduzierung durch zustandsbezogene Revisions- und Reparaturinter-valle.
• Im Falle eines Unfalls ergibt sich eine theoretisch schwer faßbare Einsparung durch die Reduzierung der tatsächlich entstehenden Kosten bei Ausrüstung der Wagen mit Telematik, denn eine bemerkte Entgleisung zerstört z.B. weniger Gleis als eine un-entdeckte, ein nicht explodierter Kesselwagen läßt keine Kosten entstehen, vermie-dene Unfälle verursachen keine Sekundärkosten und keine Regreßansprüche Dritter.
Es ist fraglich, wie weit die genannten Vorteile alleine die hohen Kosten der Einführung von Telematiksystemen zur Erhöhung des Sicherheitsstandards in der Kalkulation eines Transportunternehmens rechtfertigen können. Wegen der schwer quantifizierbaren und stark von Randbedingungen und der eigentlichen Systemwahl abhängigen Kosten kann diese Fragestellung im Rahmen der vorliegenden Studie nicht beantwortet werden. Im folgenden Kapitel sollen jedoch Möglichkeiten aufgezeigt werden, wie die oben ge-nannten Telematiksysteme auch für andere Anwendungsbereiche im Schienengüterver-kehr genutzt werden können. Durch Synergieeffekte ergeben sich zusätzliche Nutzungs-potentiale, die eine Kostenberechnung zugunsten dieser Systeme beeinflussen würden. Im folgenden Text wird dabei nur der Schienengüterverkehr betrachtet. Dabei ergeben sich zwei Möglichkeiten, die zur Kostensenkung führen: Möglichkeit 1: Zusätzlicher Nutzen durch zusätzliche Funktionen bei geringer Er-
weiterung der Telematik - Einrichtungen. Die im ersten Teil des Berichts beschriebenen Diagnose- und Gefahrenmeldefunktionen am Fahrzeug vorhandene Telematikeinrichtungen wie Kommunikationssystem, Strom-versorgung, Verarbeitungscomputer, Ortungssysteme aber auch Leitstellen können für zusätzliche Funktionen genutzt werden. Mögliche Anwendungsgebiete werden im fol-genden Text dargestellt. Dabei sind teilweise keine oder geringe zusätzliche Einrichtun-gen notwendig. Die Investitionen in die Anschaffung und den Betrieb von Telematik kön-nen so durch zusätzlichen Nutzen schneller amortisiert werden. Durch Synergieeffekte bei der Nutzung einzelner Komponenten für verschiedene Funktionen ist ein Telematik-
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system wirtschaftlich, das für eine einzige Funktion unrentabel wäre.
Synergie: Zusätzlicher Nutzen der Telematik - Investition durch zusätzliche Funktionen
Kosten und Nutzen
= Nut zen= Kost en
Diagnose / Gefahr meldung
Diagnose / Gefahr meldung
Disposit ion / Or t ung
Diebst ahlschut z Zust andsabhängige War t ung
akt uel le Logist ikinfo
Elekt ronischeBr emse
Bild 58: Synergieeffekte durch zusätzliche Nutzungen
Im praktischen Einsatz könnten solche Anwendungen, die z. B. die Möglichkeit der Or-tung von Fahrzeugen nutzen, letztendlich der Hauptanwendungsbereich des Telematik-systems sein, der auch dessen Einführung rechtfertigt, während die Meldung von Gefah-rensituationen ein willkommenes "Nebenprodukt" des Telematiksystems wäre. Ein Bei-spiel hierfür ist die Einführung von Ortungssystemen bei Autotransportwagen, wobei die im vorliegenden Text behandelten Telematikanwendungsbereiche Ortung und Gefahren-meldung nicht genutzt werden. Der Käufer investiert in eine verbesserte Disposition sei-ner Fahrzeugflotte. Möglichkeit 2: Sinkende Kosten pro Telematikeinrichtung bei steigender Stückzahl
der Einrichtungen durch Einsatz im gesamten Güterverkehr. Wie bei allen Produkten verringert sich auch bei Komponenten für Telematiksysteme der Stückpreis mit steigender Stückzahl. Außerdem entsteht auf einem Markt, auf dem hohe Stückzahlen abgesetzt werden können, eher ein Wettbewerb mit mehreren Konkurrenten als bei gering nachgefragten, hochspezialisierten Einzelprodukten. Die so entstehende Konkurrenzsituation führt in der Regel zu sinkenden Preisen.
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Synergie: Sinkende Systemkosten / Fahrzeug durch hohe Stückzahlen
Systemkosten / Fahrzeug+
nur Gefahr gut :
Gefahrgut sowie Telemat ikanwendungen bei regulärenGüterwagen
+
= Kost en - Fahrzeugeinr icht ung und Infr ast r ukt ur
+
+
Bild 59: Synergieeffekte durch hohe Stückzahlen
Wenn Telematik nicht nur bei Gefahrgutwagen, sondern auch bei anderen Güterwagen eingesetzt oder sogar zu einem Standard wird, können die Betreiber eines Gefahrgutwa-gens und damit indirekt auch deren Kunden von den verringerten Investitions- und War-tungskosten (bessere Infrastruktur, mehr Wettbewerb) profitieren. Hier werden daher auch Telematik - Anwendungen im Schienengüterverkehr dargestellt, die eher für andere Transportgüter oder für den Bahnbetrieb von Interesse sind. Es folgt eine kurze Beschreibung möglicher Telematikanwendung für Gefahrgutwagen und den Schienengüterverkehr im Allgemeinen. Dabei wird jeweils von den oben ge-nannten Einrichtungen zur Gefahrenmeldung als „Status Quo“ ausgegangen. Vorteile dieser Anwendungen für die verschiedenen, an einem Gütertransport beteiligten Parteien werden aufgezeigt. Es werden zwei Arten von Anwendung unterschieden. Kapitel 11.2 beschreibt kurzfristig realisierbare Anwendungen, Kapitel 11.3 beschreibt aufwendige Anwendungen, deren Realisierung kurzfristig wegen der erhöhten Kosten, des Organisationsaufwandes usw. zusätzlich zu den gegebenen Einrichtungen zur Gefahrgutmeldung nicht möglich sind. Kurzfristig realisierbare Anwendungen unterscheiden sich durch folgende Eigenschaften
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von aufwendigen, langfristigen Anwendungen: Kurzfristig realisierbare Anwendungen ...
• ... sind schon bei einzelnen, mit Telematik ausgerüsteten Fahrzeugen nutzbar, d. h. die Einführung ist über einen längeren Zeitraum möglich.
• ... können von einem einzelnen Kunden / Transporteur / Dienstleister eingerichtet und genutzt werden. Eine Kooperation mit verschiedenen, am Transport beteiligten Parteien oder eine netzweite Standardisierung ist nicht nötig. Daher kann eine Reali-sierung auch von einem Unternehmer alleine ohne umfangreiche Abspra-chen/Verhandlungen usw. mit Dritten vorgenommen werden.
• ...stellen an die Funktionsfähigkeit der Fahrzeugeinrichtungen keine hohen Sicher-heitsanforderungen, so daß eine offizielle Zulassung hinsichtlich der Funktionssicher-heit unnötig ist (keine signaltechnische Sicherheit usw.)
• ... ermöglichen es, den Bahnbetrieb und logistische Abläufe weitestgehend „wie ge-wohnt“ beizubehalten.
• ... greifen auf am Markt verfügbare oder durch Modifikation vorhandener Produkte realisierbare technische Komponenten zurück. Für die Realisierung sind keine auf-wendigen, im Ausgang ungewisse Forschungsleistungen, sondern nur überschauba-re, konstruktive Entwicklungsarbeiten nötig.
Nach der Aufzählung und Beschreibung werden in Kapitel 11.4 Empfehlungen für die Kombination von Gefahrenmeldung mit anderen Telematikanwendungen gegeben, sowie mögliche Forschungsschwerpunkte für langfristiger zu realisierende Anwendungsberei-che aufgezeigt. Kapitel 11.5 beschreibt, welche Synergieeffekte zwischen der Gefahrgut-Telematik im Schienengüterverkehr und im Schienenpersonenverkehr bestehen.
11.2 Kurzfristig realisierbare Telematik - Anwendungen Die im folgenden dargestellten Anwendungen für Telematiksysteme im Schienengüter-verkehr ließen sich im Zusammenhang mit einem System zur Überwachung und Gefah-renmeldung bei Gefahrgutwagen ohne großen zusätzlichen Aufwand realisieren.
11.2.1 Ortung für logistische Disposition a Problemstellung: Bei Produktionsprozessen entwickelte sich in den letzten 10 Jahren eine sehr enge Verknüpfung zwischen Zulieferern und Produzenten, wobei pünktliche bzw. zeitlich kalkulierbare und disponierbare Transporte und logistische Dienstleistungen einen hohen Stellenwert haben. Typische Eigenschaften bzw. "Schlagworte" hierzu sind geringe Lagermengen bzw. Abschaffung der Rohstofflagerung, geringe Fertigungstiefe
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("Lean Production"), enge Kooperation mit Zulieferern, dynamische Anpassung der Pro-duktion an die Nachfrage und "Just-in-time". Versender und Empfänger wünschen sich hierzu genaue, aktuelle Informationen über den Standort eines Transportes. Sie sind in der Regel bereit, eine qualitativ hochwertige Transportdienstleistung mit entsprechenden Serviceleistungen und hoher Zuverlässigkeit entsprechend zu vergüten. Der Bahnver-kehr, der bei den "Billig-Transporten" derzeit gegenüber LKW-Speditionen (Deregulie-rung, Osteuropa) in vielen Bereichen ins Hintertreffen geraten ist, sollte hier die Chancen nutzen, einen Geschäftsbereich mit hochwertigen Transportdienstleistungen zu halten bzw. auszubauen. Die DB-Cargo führt derzeit für ihre höherwertigen Züge auf dem Netz der DB-AG ein System zur indirekten Ortung ein (die Cargo-Leit-Zentrale erhält von Leitzentralen der DB-Netz Informationen über Zugstandorte). Dieses System ist jedoch durch den selten vorgenommenen Soll-Ist-Vergleich (die eigentliche Ortung eines Wagens bzw. die Prü-fung, ob sich der Wagen tatsächlich im Zug befindet) ungenau und greift nur bei Zugfahr-ten auf dem DB-Netz, nicht beim Sammeln/Verteilen und bei abgestellten Fahrzeugen oder auf anderen Bahnnetzen. Während es im Bahnbereich erste erfolgversprechende Anwendungsfälle für autarke, ak-tive Ortungssysteme gibt werden LKW-Flotten derzeit in großer Zahl mit Möglichkeiten zur Fahrzeugortung für die Disposition ausgerüstet. Im Luft- und Seeverkehr ist die Or-tung für die Navigation notwendig und wird schon seit längerer Zeit für logistische Belan-ge genutzt (z. B. Vormeldung in Häfen usw.). Weiterhin kommt es immer wieder zu Fehlern in der Disposition, da Standortmeldungen für Fahrzeuge falsch sind oder nach anfänglicher Standortmeldung eine weitere Verfol-gung der Wagenbewegung nur theoretisch, d. h. durch Umsetzen von Datensätzen im Computer, erfolgt, ohne zu überprüfen, ob entsprechende Rangierprozesse usw. tatsäch-lich stattgefunden haben. Außerdem hat ein leerer Wagen im Bahnbetrieb und beim Empfänger der Ladung geringe Prioritäten, so daß solche Fahrzeuge in der Praxis leicht durch fehlende Rückmeldungen usw. für einige Tage "vergessen" werden, was zu schlechter Auslastung der Wagen führt; LKW - Spediteure haben es hier durch den Fah-rer, der "nach Hause" will, einfacher /59/. b Lösungsansatz und benötigte Komponenten: Das in den vorhergehenden Kapiteln vorgeschlagene Telematiksystem besitzt alle notwendigen Komponenten zur Ortung von Gefahrgutwagen (Ortungssystem, Speicher für Identität des Wagens, Kommunikation). Auch einfache Ortungssysteme (normales GPS mit drei Satelliten) mit einer Genauigkeit von ca. 100 m sowie Ortungs- oder Kommunikationslücken sind in vielen Bereichen der Disposition ausreichend /60/. Für Arbeiten im Werksbereich und auf Rangierbahnhöfen
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wären genauere Ortungsverfahren interessant, bei denen die Position gleisgenau (Ge-nauigkeit 1,5 m) erfolgt und somit Fahrzeuge einzelnen Gleisen zugeordnet werden kön-nen. Weiterhin besitzt das Fahrzeug eine Kommunikationsverbindung zu ortsfesten Ein-richtungen. Eine ständige Ortung und Positionsmeldung hat einen hohen Strom-verbrauch. Völlig ausreichend für die Disposition ist daher eine Ortung und Positionsmel-dung des Fahrzeugs auf Anfrage. Als ortsfeste Infrastruktur für die Disposition kommen zwei grundsätzliche Ansätze in Frage: • Dispositions- oder Leitstelle einzelner Anwender fragen selbständig die Position von
Fahrzeugen ab (z. B. Disposition in größeren LKW-Speditionen oder beim werksinter-nen Verkehr), eventuell werden diese Informationen Dritten wie z. B. Kunden zur Ver-fügung gestellt.
• Ein einzelner Dienstleister beschafft die Positionsinformationen und stellt sie Auftrag-
gebern wie Spediteur, Kunden, Fahrzeugeignern usw. beispielsweise via Internet zur Verfügung (z. B. ATIS).
Im Gegensatz zu den Notrufen und Gefahrenmeldungen müssen Positionsmeldungen für logistische Zwecke einer Zugangsbeschränkung unterliegen. Über Positionsmeldungen wären für Konkurrenten sonst leicht Rückschlüsse über Geschäftsbeziehungen usw. des Versenders bzw. Spediteurs möglich. Aus diesem Grund müssen auch Ortungs-dienstleister das Vertrauen ihrer Kunden haben. Solange die Dispositionsmeldungen nicht für die Sicherungstechnik genutzt werden, brauchen die verwendeten Komponen-ten den Anforderungen der signaltechnischen Sicherheit nicht zu entsprechen. c Vorteile: • Die hohen Investitionen bei LKW Flotten sowie letztens im Schienengüterverkehr zei-
gen, daß Versender und Empfänger diese Art von Standortinformationen über ihre Ladung vom Spediteur fordern. Für den Spediteur ergeben sich zum einen die Vortei-le, die sich aus einem verbesserten Service am Kunden ergeben. Weiterhin hat er die Möglichkeit, sich die logistische Zusatzdienstleistung "Ortung" entsprechend vergüten zu lassen.
• Für den Spediteur und das Management von Flotten ergeben sich Möglichkeiten zur
Rationalisierung (automatische Feststellung des Standortes statt manueller Rückfra-ge und Eingabe ermöglicht automatisierte Disposition). Weiterhin basieren dispositive Entscheidungen auf aktuellen Informationen mit geringem Fehleranteil (automatisiert, Realtime), was höhere Sicherheit, Flexibilität, geringere Reaktionszeiten auf Störun-gen, auf Kundenwünsche usw. ermöglicht.
• Durch verbesserte Dispositionsinformationen können Fahrzeugeinsätze optimiert
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werden, wodurch bei größeren Flotten Fahrzeuge eingespart werden können (z. B. verbesserte Umläufe). Bei Güterwagen kann außerdem das Problem des "Verges-sens" bzw. "Verlierens" von Fahrzeugen durch falsche Standortmeldungen vermieden werden. Dies Problem besteht bei allen Dispositionsverfahren, bei denen die Fahr-zeuge nur an örtlich vorgegebenen Punkten automatisch lokalisierbar sind (Baken o. ä.), oder bei denen Personal an Standortmeldungen beteiligt ist.
• Schwachpunkte in der Transportkette wie z. B. lange Standzeiten in einzelnen Bahn-
höfen, an Grenzen, bei der Bereitstellung oder beim Entladen können durch statisti-sche Auswertung von Standortmeldungen erkannt werden. Damit bieten sich für alle beteiligten Ansätze zur Optimierung der Transportkette.
d Systemeinführung: In der Anfangsphase können einzelne Fahrzeuge mit Positions-meldung ausgerüstet werden, sowie eine Leitstelle, an die die Position gemeldet wird, eingerichtet werden, wenn hierfür nicht ein Dienstleister herangezogen wird. Vorteile ei-ner Ortung können bereits mit einzelnen, entsprechend ausgerüsteten Fahrzeugen bei unvollständiger Netzabdeckung genutzt werden. Da bei der Ortung keine weiteren Kom-ponenten des Bahnsystems benutzt werden müssen, eignet sie sich für eine Einführung durch einzelne Fahrzeugbetreiber oder spezialisierte Dienstleister.
11.2.2 Fahrzeugwartung a Problemstellung Wie bei allen technischen Systemen unterliegen auch die Bauteile des Güterwagens dem Verschleiß, so daß sie letztendlich ausfallen können. Für den Be-trieb des Güterwagens ergeben sich aus dem Ausfall von Wagenkomponenten zwei Fol-gen: • Wartung: Durch präventive Wartungsstrategien werden Bauteile vor einem Ausfall er-
setzt. • Reparatur: Schadwagen müssen erkannt, gegebenenfalls aus dem regulären Betrieb
ausgesondert und repariert werden. Beide Methoden sind mit Kosten für direkt anfallende Arbeiten und Material behaftet. Es entstehen Kosten für den Ausfall des Wagens und für die eventuell notwendige Überfüh-rung zur Werkstatt. Weiterhin ist die Kontrolle, die Schäden und Verschleiß erkennen soll, kostspielig und zeitaufwendig. Bei der Wartung entsteht außerdem das Problem, daß Bauteile eventuell zu früh ausge-tauscht werden, wenn die Wartung nicht vom Verschleißzustand abhängig gemacht wird, sondern turnusmäßig nach festgelegten Zeiten oder Kilometerleistungen oder bei Kes-
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selwagen anläßlich der vorgeschriebenen Kesselprüfung erfolgt. Beim eigentlichen Ausfall des Bauteils entstehen neben den möglichen Gefahrensituati-onen, die an anderer Stelle im Text behandelt werden, leicht hohe Kosten. Der Wagen befindet sich im Zugverband, er muß ausgesondert werden, was neben Kosten vor al-lem, seit Netzbetreiber und Transportdienstleistung bei den Bahnen getrennt sind, zu or-ganisatorischen Problemen und Zeitverzögerungen führen kann. Eventuell ist eine Wei-terfahrt nicht mehr möglich, so daß die Reparatur vor Ort erfolgen muß. Beladene Wagen müssen im Extremfall entladen werden, was vor allem bei Gefahrgut kostspielig sein kann. Durch die Reparatur bzw. durch den Zeitaufwand für die Organisation von Umla-dung und Weitertransport kommt es zu Verzögerungen, die die vom Kunden verspürte Transportqualität sinken lassen. Weiterhin könnte es in Zukunft durch die Deregulierung und verstärkt marktwirtschaftliche Organisation des Schienenverkehrs dazu kommen, daß der Verursacher von Verspätun-gen dadurch entstandene Kosten tragen muß. Der Betreiber eines Güterwagens, der durch einen Schaden den Bahnbetrieb behindert, müßte dann beispielsweise an die Betreiber von Reisezügen, die sich dadurch verspäten, eine Entschädigung zahlen. Au-ßerdem wäre es möglich, daß demnächst auch Routineuntersuchungen, wie die Kontrol-le von Wagen in Rangierbahnhöfen, als einzelner Kostenpunkt abgerechnet werden. Für Fahrzeuge, die ohne diese Kontrollen auskommen, müßte dann auch nicht bezahlt wer-den. Schäden am Laufwerk z. B. wie Verriffelungen der Fahrfläche oder kleinere Flachstellen können zu einer starken Belastung des Oberbaus führen, ohne den Betrieb des Wagens zu gefährden. Weiterhin führen die genannten Laufwerksschäden zu einem erhöhten Schallpegel bei der Fahrt des Zuges. Frühzeitige Erkennung und Behebung dieser Schäden minimiert die Unterhaltungskosten für den Oberbau (z. B. Schleifen). In Zukunft könnte die Preisgestaltung von Fahrplantrassen daher auch an die Laufgüte der Fahr-zeuge gebunden werden. Grundsätzlich gelten sämtliche hier dargestellten Punkte nicht nur für den Schienengü-terverkehr sondern auch für Triebfahrzeuge und besonders für Reisezüge. Hier wird au-ßerdem der Komfort des Reisenden durch Verschleiß usw. stark beeinträchtigt. b Lösungsansatz und benötigte Komponenten Es kommen die gleichen Telematik-bauteile und Lösungsansätze wie bei der Überwachung sicherheitsrelevanter Komponen-ten zum Einsatz, wobei von der Sensorik ein Verschleißgrad gemessen wird. Details hierzu können beispielsweise aus der Kraftfahrzeugtechnik übernommen werden. Wei-terhin können durch die Telematik Angaben zur Laufleistung des Fahrzeuges für die her-kömmliche Planung von Wartungsintervallen abgefragt werden. Wie bei 13.2.1 kann ein
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Wagenbetreiber entweder selbst die notwendige ortsfeste Infrastruktur unterhalten oder auch hier die Dienste einer „Servicefirma“ beanspruchen. c Vorteile • Einsparung der oben genannten Kosten durch Minimierung der Ausfälle von Fahr-
zeugen während des Betriebs. Durch Vorwarnung können Fahrzeuge rechtzeitig re-pariert werden. Dadurch auch erhöhte Transportqualität durch Vermeidung von Ver-spätungen in Folge von Ausfällen.
• Kostenreduktion durch flexible, an den tatsächlichen Verschleiß angepaßte War-
tungsstrategien. • Verbesserte Fahrzeugnutzung. Beim ICE konnte unter anderem durch die Wartungs-
telematik der Nutzungsgrad der Fahrzeuge so erhöht werden, daß weniger Fahrzeu-ge beschafft werden mußten.
• Schonung des Oberbaus und Reduzierung des Schallpegels durch Einhaltung eines
hohen Standards hinsichtlich der Fahrflächen (Vermeidung von Verriffelung, Flach-stellen). Die Umweltfreundlichkeit auch hinsichtlich der Lärmemissionen ist ein wichti-ger Faktor im Wettbewerb mit anderen Verkehrsträgern.
• Wenn das Telematiksystem die regelmäßige Aufzeichnung aktueller Verschleißmeß-
werte ermöglicht, können anhand einer breiten statistischen Basis Rückschlüsse zur Optimierung der entsprechenden Bauteile und zu deren Wartung geschlossen wer-den, was letztendlich wiederum zu geringerem Wartungsaufwand führt.
d Systemeinführung Das System kann von einzelnen Fahrzeugbetreibern unabhän-gig vom Bahnsystem eingeführt werden. Schon einzelne Wagen mit entsprechender Ausrüstung ermöglichen, die Vorteile der telematikgestützten Wartung zu nutzen. Selbst bei unvollständiger Netzabdeckung oder einer Möglichkeit zur Datenübertragung nur an einigen Orten (z. B. über Baken), können Wartungskonzepte flexibilisiert werden und Fahrzeugausfälle durch Früherkennung minimiert werden. Da bei der Wartungstelematik keine weiteren Komponenten des Bahnsystems direkt betroffen werden, eignet sie sich für eine Einführung durch einzelne Fahrzeugbetreiber oder spezialisierte Dienstleister. Für eine Vereinfachung der Wagenkontrolle z. B. in Rangierbahnhöfen ist eine Koopera-tion mit den Netzbetreibern und die Einigung über entsprechende Überwachungsstan-dards notwendig.
11.2.3 Schutz vor Diebstahl a Problemstellung Bahnfahrzeuge werden auf ihrem Weg vom Versender zum Emp-fänger normalerweise nur lückenhaft bewacht. Vor allem im Wagenladungsverkehr aber
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auch beim Empfänger werden Bahnfahrzeuge über längere Zeiträume unbeaufsichtigt abgestellt. Bahnanlagen sind für Unbefugte oft relativ leicht zugänglich, weiträumig und schlecht beleuchtet. Das Personal, das vor Ort arbeitet, wird derzeit reduziert und ist hin-sichtlich des Umfangs seiner Aufgaben und Verantwortungen stärker belastet als früher, so daß eine Überwachung durch Anwesende nur lückenhaft stattfindet; in Deutschland endete mit der Bahnreform auch die Funktion des Eisenbahners als nebenamtlicher Bahnpolizist. Gleichzeitig müssen Bahngesellschaften versuchen, auch im Bereich hochwertiger Güter wieder verstärkt Marktanteile zu gewinnen. Hier ist die Gefahr eines Diebstahls beson-ders groß (z. B. Spirituosen, Unterhaltungselektronik, Zigaretten). Der Wettbewerber LKW hat hier den Vorteil, daß der Fahrer das Fahrzeug begleitet und die Bewachung da-her wenig Lücken aufweist und daß der LKW meist ohne längere Aufenthalte sein Ziel er-reicht. Mit aus diesem Grund wird z. B. der wegen seiner langen Transportwege eigent-lich für Bahnen äußerst interessante Osteuropaverkehr zu einem großen Teil mit LKW abgewickelt. Weiterhin kann eine Manipulation an Fahrzeugen im Gefahrgutbereich schwerwiegende Folgen haben. b Lösungsansatz und benötigte Komponenten Der Wagen wird durch eine Alarm-anlage überwacht. Diese Anlage kann als einfache Version nur einen optischen und a-kustischen Alarm auslösen, in einer fortgeschrittenen Version auch Hilfskräfte alarmieren. Dabei können bis auf die Sensorik zahlreiche Komponenten der Gefahrgut-Telematik genutzt werden, z. B. Stromversorgung, Auswertungsrechner, eine Alarmzentrale und Kommunikationseinrichtungen für die Verbindungen Fahrzeug - Alarmzentrale und A-larmzentrale – örtliche Kräfte wie Polizei, Sicherheitsdienst. Die Sensorik für Alarmanla-gen wie diverse verdeckte Kontakte, Bewegungsmelder in wetterfester Ausführung ist am Markt vorhanden. Mit der Ortungstelematik kann der Standort des Fahrzeugs in der Zent-rale festgestellt werden. Im Bereich der Überwachung von Baumaschinen gibt es bereits Serviceunternehmen, die ein Paket aus Telematikdienstleistungen und Kooperation mit lokalen Sicherheits-diensten als komplettes Paket anbieten. Mehr organisatorische als technische Probleme sind die „Scharfschaltung“ bzw. „Freiga-be“ des durch Telematik gesicherten Fahrzeuges bei der Be– und Entladung. Dieses Problem besteht auch bei Gefahrgutüberwachungsfunktionen (z. B. Leckagemeldung, Abnehmen des Behälterdruckes, etc.). Dies kann z. B. durch eine Schließung am Fahr-zeug (physikalischer Schlüssel oder „Password“) erfolgen, durch Rücksprache mit der Alarmzentrale oder automatisch durch Koordinierung mit den Ortungsinformationen des
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Fahrzeuges, wodurch die Ladestelle identifiziert wird (z. B. „Entladung nur auf dem Ge-lände der Firma XY möglich“). c Vorteile • Reduzierung der Fälle von Einbruch, unerlaubter Manipulation usw. • Günstige Auswirkung auf entsprechende Versicherungsprämien • Ein überzeugendes Sicherheitskonzept, bei dem Telematik ein wichtiger Bestandteil
ist, könnte Verlader dazu bringen, entsprechend hochwertige Verkehre auf der Schie-ne abzuwickeln, zumal die Bahn systembedingt auch Vorteile hinsichtlich der Abwehr von Diebstählen/Überfällen bietet. So kann ein Bahnfahrzeug nicht so leicht aus ei-nem Zug heraus „entführt“ werden, das zeitaufwendige Aufbrechen und Umladen der Ladung muß also vor Ort geschehen. Außerdem bleibt ein Zugverband in der Regel zusammen, so daß beispielsweise im Zugverkehr nach Osteuropa besondere Sicher-heitskräfte eher rentabel wären als für den LKW-Transport.
d Systemeinführung Die Einführung kann aus technischer Sicht schrittweise erfolgen, anfangs können nur vereinzelte Fahrzeuge mit der Alarmanlage ausgestattet sein. Hin-sichtlich eines Eingriffskonzepts, z. B. der Zusammenarbeit mit einem Wachschutzunter-nehmen ist jedoch eine größere Zahl von Fahrzeugen zur Minimierung der Überwa-chungskosten sinnvoll. Da bei der Alarmanlage keine weiteren Komponenten des Bahn-systems benutzt werden müssen, eignet sie sich für eine Einführung durch einzelne Fahrzeugbetreiber oder spezialisierte Dienstleister. Das Thema der signaltechnischen Sicherheit wird durch die Alarmanlage nicht berührt.
11.2.4 Überwachung von Belastungen der Ladung während der Fahrt a Problemstellung Auch außerhalb des Bereichs der Gefahrgüter existieren für fast alle Ladegüter Randwerte, deren Überschreitung zur Beschädigung, zum Verderben o-der zu sonstigen Arten der Wertminderung der Ladung führt. Diese Randwerte sind z. B. vorgeschriebene Temperaturen (Kühlgut), Feuchtigkeit bzw. Maximalwerte für Be-schleunigungen, die auf die Ladungen wirken dürfen. Beim Bahntransport müssen entsprechende Grenzwerte ständig eingehalten werden. Dies ist schwierig, da der einzelne Güterwagen nicht ständig begleitet wird und eine ständige Überwachung daher nur in Ausnahmefällen existiert. Dies bezieht sich einer-seits auf die tatsächliche Überschreitung der Grenzwerte, z. B. bei Ausfall eines Kühlag-gregates, aber auch auf den Nachweis gegenüber dem Kunden, daß die Ladung ohne Grenzwertüberschreitungen transportiert wurde, so daß beispielsweise Schäden an der Ladung an einer anderen Stelle der Transportkette, nicht aber beim Bahntransport aufge-
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treten sind. Um die Ladung zu schützen, wird sie verpackt. Grenzwerte hinsichtlich der Verpackung (maximale Beschleunigungen usw.) werden für Bahntransporte nur allgemein und unab-hängig vom tatsächlichen Transport angegeben. Es wird dabei ein Bahntransport unter sehr schlechten Randbedingungen angenommen, was zu aufwendigen Verpackungen führt. Ein Wettbewerbsnachteil für die Bahn ist, daß die Belastungen beim Straßentrans-port durchschnittlich geringer sind, was zu leichterer und günstigerer Verpackung führt. Grundsätzlich ist eine sichere Verpackung im Bereich des Gefahrguttransports unum-gänglich, bei Gütern, bei denen eine Beschädigung bzw. ein Austreten jedoch ungefähr-lich ist und nur wirtschaftliche Folgen hat, sollte die Verpackung auch hinsichtlich der Be-ziehung Verpackungskosten : Ladungsschädigung optimiert werden. b Lösungsansatz und benötigte Komponenten Die Komponenten zur Ladegutüber-wachung sind bei der Gefahrgut-Telematik größtenteils mit vorhanden. Eventuell werden zusätzliche Sensoren beispielsweise für die Einhaltung der Temperatur benötigt. Die Auswertelogik muß Grenzwertüberschreitungen zusammen mit Ort (Ortung) und Zeit aufzeichnen bzw. weitergeben. Die Komponenten dazu sind vorhanden. Da eventuell mehr Daten aufgezeichnet werden und zur Erstellung eines „Protokolls“ öf-ter abgespeichert werden, muß die Stromversorgung der Telematikeinrichtung eventuell leistungsfähiger sein als bei der reinen Gefahrgutanwendung. Um Strom zu sparen, soll-te das Fahrzeug wissen, ob es beladen ist oder nicht (Grenzwertüberwachung unnötig), was durch z. B. Messung oder Kommunikation mit der Alarmzentrale erkannt werden kann. Verschiedene Ladungen haben verschiedene Grenzwerte. Es gibt hier zwei Ansätze: • Aufzeichnung reiner Meßwerte im Wagen und Bewertung außerhalb des Fahrzeugs
nach Übertragung an die Alarmzentrale bzw. nach Auslesen der Daten. Hierbei müs-sen viele Daten gespeichert bzw. übertragen werden.
• Bewertung im Fahrzeug, wofür die Grenzwerte jedoch der Fahrzeuglogik bekannt sein müssen (z. B. Eingabe bei Beladung, Kommunikation mit Alarmzentrale). Dafür ist der Kommunikationsaufwand hier geringer.
Wenn die Ergebnisse der Ladegutüberwachung als Qualitätsnachweis genutzt werden, ist zu überlegen, ob eine Überwachung durch eine unabhängige Organisation, z. B. ei-nen Telematikdienstleister beim Kunden, höheres Vertrauen genießen würde als eine Selbstkontrolle des Transporteurs. c Vorteile • Ausfälle und Fehler von Systemen zum Schutz der Ladung werden überwacht, gege-
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benenfalls kann rechtzeitig eingegriffen werden, um eine Schädigung der Ladung ab-zuwenden (z. B. bei Kesselwagen).
• Die Aufzeichnung von Belastungen der Ladung kann als Qualitätsnachweis dienen
(eventuell sogar nach ISO 9000). Der Transport kann dem Kunden als Qualitätspro-dukt angeboten werden. Bei Streitigkeiten über beschädigte Ladungen können die Aufzeichnungen als Nachweis dienen. Dies könnte z. B. auch zu einer gerechteren Aufteilung von Versicherungsprämien führen.
• Durch entsprechende Aufzeichnungen können Ladungsbeschädigungen einzelnen
Verursachern innerhalb des Bahntransports zugeordnet werden. Dementsprechend können Stellen mit erhöhter Ladungsbelastung anhand einer breiten statistischen Ba-sis identifiziert und optimiert werden (z. B. häufige Rangierschäden).
• Erfahrungen aus dem Bereich der Produktion zeigen, daß eine Qualitätsüberwachung
auch fast immer eine Qualitätssteigerung mit sich führt, da Schäden auf Grund von menschlicher Unachtsamkeit abnehmen und ein Bewußtsein für das geprüfte Quali-tätsmerkmal eintritt. Dies gilt sowohl für die eigentliche Durchführung von Arbeiten als auch bei der Planung von Steuerung von Prozessen. So könnten z. B. durch eine Qualitätsüberwachung die Ladungsschäden beim Rangieren reduziert werden, indem sich Verantwortlichkeit für einzelne Rangiermanöver zurückverfolgen läßt oder sorg-fältiges Rangieren honoriert wird. Gleichzeitig wird der Zusammenhang zwischen Rangiergeschwindigkeit und Rangierstößen z.B. bei der Festlegung von Zeitvorgaben klarer, d. h. sorgfältiges Rangieren, bei dem Wagen eher mit der Lok beigestellt statt abgestoßen werden, braucht Zeit.
• Es können aus statistischen Werten verschiedene Schutzstufen für Verpackungen
aufgestellt werden, die für verschiedene Streckenrelationen gelten. Beispielsweise wird ein Transport im Ganzzug ohne Rangieren weniger Stöße bringen als der Wa-genladungsverkehr, bei dem mehrere Rangierbahnhöfe durchlaufen werden. Bahn-gesellschaften könnten sich bereit erklären, bestimmte Stoßwerte für bestimmte Rela-tionen zu garantieren, und die höheren Tarife würden sich durch Einsparung bei der Verpackung für den Kunden reduzieren. Eventuell könnten auf bestimmten Relatio-nen die Stoßwerte eines LKW – Transports erreicht und garantiert werden. Interes-sant wäre in diesem Zusammenhang auch die Zusammenarbeit mit entsprechenden Versicherungen, um das Schadensrisiko für Ladungen neu abzuschätzen und even-tuell geringere Prämien zu erarbeiten.
• Letztendlich entsteht eine breite Datenbasis über die Transportbelastungen. Diese
Datenbasis kann zur Optimierung von Verpackungen, Fahrzeugausstattung und Be-triebsformen als Einzelkomponenten führen. Außerdem kann das Zusammenspiel
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dieser drei Komponenten besser erfaßt werden (z. B. Aufwendige Verpackung : ein-facher Wagen gegenüber einfacher Verpackung : stoßgedämpftem Wagen). Eine Op-timierung führt zu geringeren Kosten, Gewichtseinsparung durch leichtere Verpa-ckung, Verminderung des Verpackungsvolumens und damit zu Erhöhung der Wa-genkapazität.
d Systemeinführung Die technische Einführung einer Transportüberwachung kann schrittweise erfolgen, sie ist technisch weitgehend unabhängig von weiteren Komponen-ten des Systems Bahn, kann also von einzelnen Interessenten, selbst von Verladern an-gewendet werden. Sicherungstechnische Aspekte werden nicht berührt. Die Anerkennung von Telematiktransportprotokollen z. B. bei der Aufklärung von La-dungsbeschädigungen oder bei der Zusicherung von Qualitätsstandards bedeutet einen organisatorischen Aufwand innerhalb der Transportbranche, da alle Beteiligten erst die ihnen entstehenden Vor- und Nachteile abwiegen müssen. Ähnliches gilt bei der Festle-gung von Grenzwerten für Beschleunigungen usw. für Versicherungsfragen. Für die Optimierung von Verpackungen, Fahrzeugen und Betriebsprozessen ist eine breite Datenbasis notwendig, d. h. der Einsatz mehrerer Fahrzeuge, die mit Telematik ausgerüstet sind.
11.2.5 Nutzung zur Tarifgestaltung a Problemstellung Derzeit erfolgt die Vermietung von Wagen über einen längeren Zeitraum. Kunden wünschen jedoch auch eine tageweise Anmietung, bei der sie den Wagen nur beim eigentlichen Transport bezahlen. Eine solche Vermietung ist nur mög-lich, wenn bei Vermietung nachvollziehbar ist, wann der Wagen tatsächlich genutzt wur-de. Letztendlich führte dieses Problem zur Ausstattung der Autotransportwagen der ATG (Autotransportlogistic GmbH) mit Telematiksystemen /61/. Weiterhin ist es für einen Spediteur teilweise schwierig nachzuvollziehen, ob die Ge-wichtsangaben über die Ladung seitens des Kunden zutreffend sind. Das Gewicht der Ladung ist nicht nur für die Bestimmung der Transportkosten wichtig, sondern auch für den Bahnbetrieb, z. B. bei der Festlegung des Bremsgewichts und der benötigten Trakti-onsleistung oder für die Bremsensteuerung auf Ablaufanlagen. Ein Wiegen des Wagens auf einer Gleiswaage ist mit Rangieraufwand verbunden. Bei Ablaufbergen sind die Ge-wichtsmessungen der rollenden Wagengruppe ungenau. In einem internationalen Bahnsystem, bei denen zahlreiche Einzelleistungen von ver-schiedenen Dienstleistern erbracht werden, ist es schwierig im einzelnen Nachzuprüfen, wer wann an einem Wagen entsprechende Dienstleistungen vorgenommen hat bzw. ob die Forderungen einzelner Dienstleister rechtens sind. Dies gilt z. B. für Zugfahrten, Auf-
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enthalte auf fremden Netzen, Gebühren für die Wagenabstellung, Rangierarbeiten, klei-nere Wartungsarbeiten usw. b Lösungsansatz und benötigte Komponenten Die für eine Tarifierung notwendigen Telematik-Komponenten liegen grundsätzlich im Fahrzeug vor. Über die Ortung kann der Fahrzeugstandort festgelegt werden und erkannt werden, wann das Fahrzeug bewegt wurde. Das Gewicht der Ladung kann z. B. hinreichend genau über Federauslenkungen gemes-sen werden. Nur die klare Unterscheidung zwischen den Zuständen „Beladen“ und „Un-beladen“ bereitet bei sehr leichten Produkten und/oder einer Teilbeladung des Wagens Schwierigkeiten. Hier kann über den Meßwert „Gewicht“ keine klare Aussage gemacht werden (z. B. wie erkennt man 15 m³ Styroporflocken für Verpackungszwecke in einem Güterwagen mit 30 t maximaler Zuladung). Hier besteht Entwicklungsbedarf für eine kos-tengünstige Sensorik, die unter den Randbedingungen des Bahnbetriebs (z. B. Staub, Schmutz, geringer Energieverbrauch) zuverlässige Ergebnisse liefert. Wie schon bei der Aufzeichnung der Transportqualität ist zu überlegen, wie die Telemati-kangaben beispielsweise durch Nutzung eines unabhängigen Dienstleisters im Streitfall als Beweismittel anerkannt werden können. c Vorteile • Wagenvermieter können dem Kunden taggenaue Vermietungsangebote machen • Angaben zu Wagenbenutzung, Dienstleistungen am Wagen, Nutzung von Gleisanla-
gen usw. werden transparent und nachprüfbar • Automatisches Wiegen der Ladung führt neben Transparenz bei der Abrechnung der
Frachtkosten zu betrieblichen Vorteilen bei der Bremsberechnung usw. d Systemeinführung Auch hierbei handelt es sich um eine autarke Anwendung, die keine sicherungstechni-sche Relevanz hat und daher von einzelnen Wagenbetreibern oder über einen Telema-tikdienstleister eingeführt werden kann. Die Vorteile der transparenten Abrechnung und der Möglichkeit der Vermietung über kurze Zeiträume sind ab dem ersten Telematikwa-gen gegeben. Bei der Nutzung der Wiegeeinrichtung für Bremsberechnungen usw. werden Fragen der Sicherheitstechnik angeschnitten (z. B. stimmen Wiegeergebnisse immer?), die vor einer Einführung zu klären sind. Außerdem wird hier eine ortsfeste Infrastruktur (z. B. in Form von Lesegeräten für Fahrzeugdaten bei der Zugbildung oder an Ablaufanlagen) und eine Umorganisation von Betriebsabläufen (z. B. Erstellung der Wagenliste) bei den Bahn-betreibern vorausgesetzt. Während eine Umsetzung für einzelne Fahrzeuge bzw. Züge
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zusammen mit anderen Telematikanwendungen derzeit möglich ist (z. B. Cargosprinter), wird für eine breite Anwendung im Bahnbetrieb eine standardisierte Schnittstelle Fahr-zeug - Betriebsstelle benötigt, so daß die Fahrzeuge aus der Sicht der Bahnbetreiber hinsichtlich der Abfrage des Ladungsgewichtes einheitlich reagieren. Organisatorisch ist für die Abrechnung von Leistungen beim Schienengüterverkehr ba-sierend auf Telematikdaten eine Anerkennung dieser Methode der Datenerhebung bei den beteiligten Partnern notwendig.
11.2.6 Automatisierte Be- und Endladung a Problemstellung Bei der Be- und Entladung von Güterwagen müssen in vielen Fäl-len am Wagen verschiedene Handlungen von Personen ausgeführt werden. Der eigentli-che Be- und Entladevorgang läuft dann weitgehend selbständig bzw. automatisiert ab. Beispiele hierfür sind u. a. das Betätigen von Ventilen und die Erdung von Kesselwagen, das Entriegeln von Containern auf Tragwagen oder das Entriegeln der Selbstentladeein-richtung bzw. Bedienen der Kippvorrichtung von Schüttgutwagen. Für diese Arbeiten ist Personal notwendig. Wegen der Größe und Masse der bewegten Ladungen und der La-deeinrichtungen sind diese Arbeiten gefährlich, zusätzlich kann von den umgeladenen Stoffen eine Gesundheitsgefährdung ausgehen. Vor allem im Gefahrgutbereich ist außerdem zu überlegen, wie beim Be- und Entladen der Ladevorgang von diversen Sicherungsmaßnahmen abhängig gemacht werden kann und wie sichergestellt werden kann, daß es zu keinerlei Verwechslungen kommt. b Lösungsansatz und benötigte Komponenten Es bietet sich an, die Freigabe der La-devorrichtungen am Fahrzeug über Telematikeinrichtungen zu automatisieren, so daß die Telematik den Ladevorgang erst freigibt, wenn Ladeeinrichtungen positioniert und Si-cherheitsmaßnahmen aktiv sind und der Wagen identifiziert wurde. Dies kann über die Telematikzentrale oder über eine direkte Kommunikation zwischen Fahrzeug und Lade-stelle, sowie über eine entsprechende Logik im Fahrzeug sichergestellt werden. Hierzu können Fahrzeugkomponenten aus dem Bereich der Gefahrgut-Telematik wie Logik, Stromversorgung, Kommunikationseinrichtungen, eventuell Ortung und ein Teil der Sensorik genutzt werden. Zusätzlich werden Systeme zur Freigabe der Be- und Ent-ladung wie elektrische Ventile, Verriegelungen usw. benötigt sowie Sensorik, die den Zu-stand dieser Einrichtungen (z. B. "offen" und "geschlossen") angibt. Diese Komponenten haben oft kurzzeitig einen hohen Energieverbrauch der bei der Stromversorgung berück-sichtigt werden muß. An den Entladestellen ist entsprechende Sensorik zum Zustand der Entladeeinrichtung
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und eine Sicherheitslogik notwendig. Systemkomponenten hierzu gibt es aus dem Be-reich der Arbeitssicherheit für die Absicherung von Maschinen bei der Produktion usw. Für eine vollautomatische Be- und Entladung sind automatische Ladeeinrichtungen not-wendig. Hier gibt es erste Ansätze z. B. in der Form von Betankungsrobotern oder auto-matischen Behälterumschlaganlagen, Entladeeinrichtungen für Selbstentladewagen und Systeme zum automatischen Bewegen von Wagen (z. B. Waggonzugeinrichtungen, Rangierroboter und ferngesteuerte Lokomotiven) sind branchenüblich. c Vorteile • Personaleinsparung bei der Entladung • Einbinden der Entladung in den automatisierten Produktionsprozeß (z. B. zur Mini-
mierung von zwischengelagerten Produkten bedarfsabhängiges, langsames Entladen von Massengütern oder z. B. erhöhte Umschlagsgeschwindigkeit bei Behältern).
• Übergabe von Fahrzeugdaten wie Ladungsabmessung usw. an Entladestelle zur au-tomatisierten Be- und Entladung möglich
• geringere Gefährdung des Personals durch Ladeunfälle und Emissionen der Ladung • erhöhter Sicherheitsstandard durch Ausschließen von menschlichem Versagen d Systemeinführung Diese Telematikanwendung benötigt eine Kooperation von Be- und Entladern, Spediteuren und Wagenanbietern, da Ladeeinrichtungen und Fahrzeuge zueinander kompatibel sein müssen. Zur Einführung können Ganzzüge auf vorgegebe-ner Relation zwischen einer Be- und einer Entladestelle pendeln, womit die Anzahl der auszurüstenden Fahrzeuge und Ladestellen gering gehalten ist. Für einen flächenhaften Einsatz wäre eine Standardisierung notwendig, um Fahrzeuge austauschen zu können. Das Telematiksystem greift nicht in den Bahnbetrieb ein, so daß eine direkte Kooperation der Bahngesellschaft nicht notwendig ist, selbstverständlich muß jedoch gewährleistet werden, daß die Entladung nur an Ladestellen erfolgen kann.
11.2.7 Messungen für die Oberbauunterhaltung a Problemstellung Während sich der Oberbau durch Verschleiß langsam und kontinu-ierlich verschlechtert, können einige Oberbaufehler z. B. durch äußere Einwirkungen o-der Materialfehler in kurzer Zeit entstehen und zu einer Gefahr für den Schienenverkehr werden. Hierzu zählen z. B. Schienenbrüche und -ausbrüche, Gleisverwerfungen, Schä-den an Weichen usw. Ein ähnliches Problem stellt die Verriffelung der Gleise dar, die zwar kein gefährlicher Zustand ist, aber zu verstärkter Abnutzung und einer Erhöhung des Schallpegels führt. Meßfahrten mit speziellen Fahrzeugen sind kostspielig, zeitauf-wendig und benötigen freie Fahrplantrassen, da die Fehler häufig auftreten, müssen Meßfahrten häufig durchgeführt werden.
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b Lösungsansatz und benötigte Komponenten Wagen mit ausgerüsteter Telematik könnten im Gleisnetz kontinuierliche Messungen durchführen und Extremwerte aufzeich-nen. Für die Gleisunterhaltung kann diese breite Datenbasis zur Früherkennung poten-tiell gefährlicher Gleisfehler sowie für die Planung von Unterhaltungsmaßnahmen heran-gezogen werden. Bis auf Teile der Sensorik können hierfür die Komponenten des Telematikgefahrgutwa-gens genutzt werden. Eventuell muß die Stromversorgung einem erhöhten Bedarf für kontinuierliche Meßwertaufnahme angepaßt werden. Bei der Sensorik gibt es verschie-dene Meßmethoden, die allerdings teilweise sehr aufwendige Anlagen benötigen (z. B. Meßdrehgestelle). Diese Methoden müssen speziellen Meßfahrzeugen vorbehalten blei-ben. Mit Hilfe von Beschleunigungssensoren lassen sich jedoch grundsätzliche Angaben zum Oberbauzustand machen, z. B. über Schienenbrüche, Riffelbildung und zum Fahr-komfort machen. Entsprechende Messungen müssen gemeinsam mit Ortungssignalen ausgewertet werden, um unter anderem gegebene Unstetigkeitsstellen wie Weichen usw. herauszufiltern. Bei der Datenauswertung besteht noch Forschungsbedarf. c Vorteile • frühzeitige Erkennung von bestimmten Arten von Gleisschäden • Datenmaterial zur Planung der Oberbauunterhaltung • Datenbasis zur Erforschung des Verschleißverhaltens von Oberbaukomponenten • Kontinuierliche Erfassung der Daten d Systemeinführung Die Meßfahrten können mit einzelnen Fahrzeugen und einem entsprechenden Auswer-tesystem für die anfallenden Daten durchgeführt werden. Andere Bereiche des Bahnbe-triebs werden nicht beeinträchtigt. Für die Auswertungssoftware ist weitere Forschung notwendig, um aus den Meßwerten Rückschlüsse auf den Oberbauzustand ziehen zu können. Organisatorisch muß eine Kooperation zwischen Wageneigentümer und Fahr-wegprovider hergestellt werden.
11.3 Langfristig zu verwirklichende Telematikanwendungen Im folgenden werden einige Anwendungsgebiete der Telematik im Schienengüterverkehr dargestellt, deren Verwirklichung nur längerfristig möglich ist, da verschiedene techni-sche Detailfragen noch ungeklärt sind oder da zum wirkungsvollen Einsatz dieser An-wendungen ein hoher Verbreitungsgrad mit entsprechenden Investitionen und eine mög-lichst europaweite oder zumindest nationale Standardisierung notwendig sind.
11.3.1 Automatisierung der Zugbildung a Problemstellung Bei der Zugzerlegung und -bildung werden noch immer zahlreiche
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Arbeiten von Hand ausgeführt. Diese Arbeiten stehen einer vollautomatisierten Zugbil-dung mit entsprechenden Rationalisierungseffekten entgegen und machen einen erhebli-chen Anteil der Zeit aus, die ein Güterwagen in einem Rangierbahnhof verbringt. Zu die-sen Arbeiten gehören z. B.: • das Kuppeln und Entkuppeln von Wagen • das Entlüften der Hauptluftleitung und das Bedienen von Bremshähnen an Wagen • die Identifizierung von Wagen, die Erstellung der Rangierlisten • die Bremsprobe • die Erstellung von Wagenlisten, Bremslisten usw. für Züge sowie die Vormeldung von
Zügen im nächsten Bahnhof • Handbremse (besser Feststellbremse) anziehen, lösen Weiterhin werden derzeit beim Rangieren meistens zur Bremsung der Wagen nicht die wageneigenen Bremsanlagen genutzt, sondern externe Bremseinrichtungen wie Gleis-bremsen und Hemmschuhe oder das mit Kupplungsspiel gekuppelte Triebfahrzeug. Gleisbremsen sind kostspielig in Anschaffung und Wartung. Die Bremsung erfolgt in der Verteilzone bzw. am Anfang der Richtungsgleise der Ablaufanlage, die Bremsanlage ist bis zu 200 m entfernt vom Ziel des Wagens. Trotz hohem regelungstechnischen Auf-wand kommt es daher immer wieder zum Auflaufen von Wagen mit den entsprechenden Stoßbelastungen für das Ladegut. Wenn Wagen andererseits in Richtungsgleisen weit voneinander entfernt zum Stehen kommen, werden sie beigedrückt, wobei es auch zum Auflaufen kommen kann. Bremsungen mit Hemmschuhen sind personalaufwendig und zeitaufwendig. Ob es zum Auflaufen kommt oder ob sanft gebremst wird, ist weitestgehend von den Erfahrungen und Fähigkeiten des Hemmschuhlegers/Rangierers abhängig. Da bei der Bremsung zahlreiche Faktoren wie Rollverhalten des Wagens, Geschwindigkeit und Witterungsver-hältnisse berücksichtigt werden müssen, kommt es immer wieder zum harten Auflaufen. Bremsungen mit dem Triebfahrzeug sind beim Rangieren zeitaufwendig, durch die nicht angespannte Kupplung kommt es beim Bremsen zu Zerrungen in der Wagengruppe. b Lösungsansatz und benötigte Komponenten Durch Telematikanwendungen kann die Zugbildung weitgehend automatisiert werden. Neben den Grundeinrichtungen aus der Gefahrgut-Telematik wie Kommunikation, Logik, Stromversorgung usw. werden unter anderem folgende Komponenten benötigt: • Automatische Kupplung inklusive Kupplung der Druckluftleitungen • Kommunikationseinrichtungen zwischen Wagen mit der Hard- und Software zur
Durchführung einer Zugtaufe
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• Bremshähne und Bremsventile von Telematik ansprechbar • System zum Selbsttest der Bremse für Bremsprobe • automatisch anlegbare Feststellbremse • für eine automatische Bremsung des allein rollenden Wagens am Ablaufberg auch
Bremsanlage mit Regelung, so daß während des Rollens eine vorgegebene Maxi-malgeschwindigkeit nicht überschritten wird und über eine Abstandssensorik vor ei-nem im Gleis stehenden Wagen gebremst wird
Die Komponenten sind größtenteils vorhanden und befinden sich derzeit in Erprobung. Die DB AG hat unter dem Namen EBAS (Elektronische Bremsabfrage und –steuerung) ein solches System entwickelt und setzt es beim CargoSprinter ein. Nur bei der selbsttä-tigen Bremsung während des Abrollens besteht noch Entwicklungsbedarf. c Vorteile • erhebliche Reduzierung der Zugbildungszeiten, daher Beschleunigung des Güter-
• Rationalisierung durch Personaleinsparung • Reduzierung von Unfällen beim Rangieren • Verbesserte betriebliche Disposition durch bessere Vormeldung • Vermeidung von Fehlläufern beim Rangieren durch Wagenidentität • Reduzierung von Stoßbelastungen auf die Ladung und das Fahrzeug, daher weniger
Ladungsschäden, leichtere Verpackungen möglich, eventuell auch leichtere Fahrzeu-ge
d Systemeinführung Derzeit erfolgte die Einführung nur bei begrenzten Fahrzeugparks (CargoSprinter), die mit dem Rest des Wagenparks normalerweise nicht gekuppelt wer-den. Eine wirkliche Nutzung der genannten Vorteile und eine deutliche Qualitätserhö-hung ergibt sich nur bei einer europaweiten oder zumindest nationalen bzw. angebots-weiten (z. B. InterCargo der DB Cargo) Einführung des Systems. Wie die Erfahrungen mit der automatischen Kupplung zeigen wird es hier zahlreiche organisatorische Proble-me hinsichtlich der Standardisierung, der Umstellung, des Umstellungszeitraumes und Zeitpunktes usw. geben. Weiterhin müßte auch eine entsprechende Ausstattung von Rangierbahnhöfen usw. für den Telematikbetrieb erfolgen. Die automatische Abbremsung im Rangierbahnhof ist derzeit außerdem noch nicht aus-gereift. Eine Einführung ist abgesehen von Insellösungen derzeit nicht absehbar.
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11.3.2 Kommunikation für elektrisch gesteuerte Bremse und Mehrfachtraktion a Problemstellung Bei der herkömmlichen Druckluftbremse dient die Bremsleitung gleichzeitig zur Bremsensteuerung und zur Druckluftversorgung der Bremsanlage. Die Bremsensteuerung erfolgt durch Variation des Leitungsdruckes. Da sich eine Druckände-rung an einer Stelle der Leitung theoretisch maximal mit Schallgeschwindigkeit (330 m/s) ausbreiten kann und real eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von nicht mehr als 200 m/s hat, setzen sich die Steuersignale in langen Zügen zeitversetzt fort. Die Folge sind lange Reaktionszeiten bzw. Zerrbewegungen bei langen Zügen, da ein feinfühliges Regeln der Bremsen nicht möglich ist. Da die Zughakenkraft in Europa nach UIC auf 850 kN begrenzt ist, müssen schwere, lange Güterzüge an Steilrampen usw. nachgeschoben oder mit Zwischenlokomotiven ausgestattet werden. Ein Befahren der Strecken nur mit Vorspannlokomotiven könnte zur Zugtrennung führen. Wünschenswert ist es, diese Lokomotiven von der Zugspitze aus fernsteuern zu können. Weiterhin gibt es im Güterverkehr Einsatzfälle, bei denen Wen-dezüge sinnvoll wären. b Lösungsansatz und benötigte Komponenten Bei der elektropneumatischen Brem-se erfolgt die Bremsensteuerung elektrisch über eine Steuerleitung oder ein ähnliches System zur Kommunikation innerhalb des Zuges. Elektropneumatische Bremsen sind seit mehreren Jahren bei verschiedenen Fahrzeugen und Bahnverwaltungen im Einsatz, z. B. beim ICE der DB AG. Auch bei der Fernsteuerung von Lokomotiven, die im Reise-zugverkehr üblich sind, muß eine Kommunikation innerhalb des Zuges erfolgen. Beide Anwendungsfälle benötigen ein Kommunikationssystem innerhalb des Zuges, wie es auch für die Gefahrgut-Telematik benötigt wird. Hier wären Synergieeffekte bei der gemeinsamen Nutzung der Kommunikationsinfrastruktur möglich. Allerdings werden von einem Bussystem für die Bremsensteuerung bzw. Steuerung von Lokomotiven kürzere Übertragungszeiten gefordert, als sie für eine reine Gefahrgutanwendung benötigt wer-den. c Vorteile • Einsatz längerer Züge, daher z. B. geringere Trassenpreise/Wagen, höhere Stre-
ckenkapazität • Einsatz von Wendezügen im Güterverkehr • Verminderung dynamischer Längskräfte beim Bremsen • kürzere Bremswege durch kürzere Ansprechzeiten der Bremse, damit bei gleichem
Signalabstand höhere Geschwindigkeiten möglich d Systemeinführung Technische Fragestellungen beim Einsatz von elektropneumati-schen Bremsen bzw. Mehrfachtraktion sind gelöst. Schwierigkeiten bereitet die Kommu-
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nikation, da Steuerkabel zusätzlichen Aufwand beim Kuppeln verursachen und elektri-sche Steckverbindungen typische Fehlerquellen sind. Drahtlose Übertragungssysteme sind kostspielig. Problematisch ist wiederum der organisatorische Aufwand für die Standardisierung sowie für die Umstellung bzw. den Umbau einer großen Fahrzeugflotte, da wirkliche Vorteile nur bei einer Ausstattung aller Fahrzeuge mit entsprechenden Kommunikationseinrich-tungen entstehen würden.
11.3.3 Zugschlußmeldung, Zugvollständigkeitsmeldung a Problemstellung Für einen sicheren Bahnbetrieb müssen Vorkehrungen getroffen werden, um Auffahrunfälle zu vermeiden. Derzeit geschieht dies durch das Fahren im Blockabstand, wobei sich in einem Blockabschnitt jeweils nur ein Zug befinden darf. Die Blockabschnitte werden gleisseitig durch Achszählanlagen oder Gleisstromkreise über-wacht. Diese streckenseitigen Überwachungseinrichtungen sind kostspielig, da sie gegeneinan-der isolierte Schienen und/oder eine Stromversorgung benötigen und störanfällig sind. Außerdem begrenzen sie die Leistungsfähigkeit einer Strecke. Eine höhere Streckenleistungsfähigkeit könnte erreicht werden, wenn die Züge nicht im Raumabstand sondern im Abstand des Bremsweges quasi auf elektronische Sicht ver-kehren könnten. b Lösungsansatz und benötigte Komponenten Für ein Fahren auf Bremswegab-stand werden sichere Informationen über die Position des Zugschlusses des vorausfah-renden Zuges benötigt. Diese Positionsmeldung des Zugschlusses muß ständig aktuell vorliegen, auch wenn es zur Zugtrennung gekommen ist und die Zugspitze weiterfährt, während der Zugschluß stehenbleibt. Die Zugschlußmeldung kann entweder durch di-rekte Kommunikation des Zugschlusses (letzter Wagen) mit ortsfesten Einrichtungen o-der nachfolgenden Zügen erfolgen, oder indem der Zugschluß mit dem Triebfahrzeug kommuniziert und vom Triebfahrzeug aus weitere Aktionen eingeleitet werden. Die Gefahrgut-Telematik benötigt Komponenten, die zur Ortung des Zugschlusses oder zur Meldung einer Zugtrennung herangezogen werden könnten, so daß hier Synergieef-fekte möglich wären. Hierzu zählen Ortungseinrichtungen, Stromversorgungseinrichtun-gen, Auswertelogik und Kommunikationseinrichtungen. Allerdings werden an diese Kom-ponenten hier wesentlich höhere Anforderungen gestellt, so daß noch Entwicklungsbe-darf besteht: • Das System muß signaltechnisch sicher sein
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• Ortungseinrichtungen müssen die Wagenposition bei mehrgleisigen Strecken gleis-genau, d. h. mit einer Genauigkeit von mindestens 1,5 m angeben
• Kommunikationsverbindung zu ortsfester Infrastruktur bzw. folgenden Fahrzeugen muß ständig, also auch im Tunnel usw. gewährleistet sein.
c Vorteile • Reduzierung der ortsfesten Infrastruktur mit deren Nachteilen wie hohen Investitions-
und Wartungskosten, Stromversorgung, geringen Innovationszyklen usw. • Erhöhung der Sicherheit • Erhöhung der Streckenleistungsfähigkeit d Systemeinführung Die Probleme der Ortung und der Kommunikationsverbindung sind noch nicht befriedigend gelöst. Außerdem sind Investitionen für Fahrzeugausrüstun-gen sowie Infrastruktur notwendig. Die Abnahme sowie eine nationale und europaweite Standardisierung muß durchgeführt werden. Eine Einführung bringt nur im großen Rah-men nennenswerte Vorteile. Daher eignet sich die Technik eher für Bahnsysteme mit ü-berschaubarer Fahrzeugflotte und Kapazitätsproblemen bei der Streckenleistungsfähig-keit z. B. im Personennahverkehr. Eine allgemeine Einführung ist offen.
11.4 Empfehlungen zu Synergieeffekten Mit geringen zusätzlichen Investitionen lassen sich folgende Telematikanwendungen mit dem in diesem Bericht vorgeschlagenen Informationssystem für Gefahrguttransporte kombinieren:
• Ortung für logistische Disposition • Fahrzeugwartung • Alarmanlage • Überwachung der Belastung von Ladungen während der Fahrt • Telematiknutzung bei der Tarifgestaltung Alle Anwendung benötigen keine Kooperation mit Bahnbetreibern, können also von Wa-genvermietern, Spediteuren oder Verladern autark eingesetzt werden. Schon bei einer Ausstattung von wenigen Fahrzeugen kann in den Anwendungsbereichen Nutzen aus den Telematiksystemen gezogen werden, so daß Anfangsinvestitionen schneller amorti-siert werden und Betriebskosten leichter zu decken sind. Außerdem eignen sich die ge-nannten Bereiche auch gut für spezielle Telematik-Provider, die ihren Kunden die ge-nannten Leistungen zur Verfügung stellen. Weitere mögliche Synergieeffekte sollten langfristig weiterverfolgt und bei grundsätzli-chen Überlegungen z. B. zur Standardisierung mit überlegt werden, sie sind jedoch für eine erste Einführung von Telematik im Schienengüterverkehr weniger interessant.
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11.5 Synergieeffekte zwischen Telematik beim Schienengüterver-kehr und beim Schienenpersonenverkehr
Ein Teil der in diesem Bericht dargestellten Telematikanwendungen könnte auch die Si-cherheit im Schienenpersonenverkehr erhöhen. Hierzu zählen z. B. • Entgleisungsdetektoren • Bremsüberwachung • Überwachung des Fahrkomforts bzw. der Funktion wichtiger Fahrwerkskomponenten • Meldung von Flachstellen und verriffelten Rädern • Telematikunterstützte Wartung Während ein Teil der Problemstellungen des Schienengüterverkehrs nicht auf den Per-sonenverkehr übertragbar ist (z. B. Stromversorgung), könnten einzelne Komponenten in beiden Bereichen des Schienenverkehrs genutzt werden. Hierzu zählen z. B. die Senso-rik für oben genannte Anwendung, die Auswertelogik und Teile des Kommunikationssys-tems zwischen Wagen und Triebfahrzeugführer. Durch die große Zahl der Reisezugwa-gen könnte der Preis für die genannten Komponenten bei einer breiten Einführung der Telematik stark reduziert werden.
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12 Zusammenfassung Diagnosetechnik auf Gefahrgutgüterwagen kann dazu beitragen, die Sicherheit im Schienengüterverkehr wesentlich zu verbessern, insbesondere im Vergleich mit den Entdeckungspotentialen gleis-fester Überwachungseinrichtungen. Um die Fahrzeugdiagnose möglichst effizient einführen zu können, sind verschiedene Rand-bedingungen einzuhalten. Die Fahrzeugdiagnose hat vom autarken Einzelwagen auszuge-hen. Die Diagnose- und Rechnerarchitektur ist als offenes, erweite-rungsfähiges System zu konzipieren, so daß kontinuierlich eine Anpassung an die auf in diesem Gebiet sehr rasche technische Entwicklung erfolgen kann und auch neue Funktionen u.a. auf-grund aktueller Vorfälle in überschaubaren Zeithorizonten integriert werden können. Systeme, die als autarke Lösungen sukzessive und bereits ab dem ersten Wagen nutzbringend eingeführt werden, finden schnellere Verbreitung als Systeme, die große Vorabinvestitionen in eine ganze Fahrzeugflotte erfordern und die komplette Ausrüstung gan-zer Züge voraussetzen. Außerdem kann hierbei derjenige Betrei-ber seine Fahrzeuge zu dem Zeitpunkt ausrüsten, der ihm geeignet erscheint und zu dem er sich den gewünschten Nutzen verspricht. Wagenautarke Lösungen scheinen vordergründig teurer zu sein, als zug- oder flotteneinheitliche Lösungen. Unter Vorgabe von Zielkosten werden jedoch keine Kostennachteile erwartet. Zudem sind große Zuverlässigkeitsvorteile für die autarke Lösung gege-ben. Im Falle eines erforderlichen Eingriffs muß europaweit die Kom-munikation mit den örtlichen Betriebsleitzentralen der europäischen Haupt- und Nebenbahnen sichergestellt sein. Um dies zu errei-chen, kann die Telematik- und Diagnosetechnik auf verschiedenen Wagenflotten unterschiedlich ausgeprägt sein, jedoch muß der Kommunikationsweg vom Empfänger der Daten zu den Bahnen gesichert und standardisiert sein. Ob die Kommunikation vom Wa-gen zur Lok direkt oder auf dem Umweg über die Betriebsleitzent-rale erfolgen soll, ist aufgrund der realisierbaren Schnelligkeit und Zuverlässigkeit der Datenübertragung zu entscheiden.
Anforderungen
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Sowohl im Kraftfahrzeugbereich als auch im Schienenfahrzeugbe-reich ist ein verstärkter Einsatz von Diagnosesystemen festzustel-len. Wegbereiter dieser Entwicklung ist der Pkw-Bereich mit der Einfüh-rung komplexer Steuerungs- und Diagnosesystemen gewesen (Motorsteuerung, ABS, Airbag, etc.). Auch im Nutzfahrzeugbereich findet der Einsatz von Diagnosesystemen verstärkten Eingang, da damit das Flottenmanagement und die zustandsbezogene Wartung verbessert werden kann. Im Schienenfahrzeugbereich ist der Einsatz von Diagnosetechnik im derzeitigen Stand v.a. auf den Personenverkehr und dort auf Komfortbelange der Fahrgäste und die Antriebs-, Brems- und Tür-steuerung beschränkt. Erst langsam setzt sich die Diagnose fahr-technisch relevanter Größen durch. Da im Personenverkehr ver-mehrt Flotten einheitlicher Fahrzeugtypen auf bestimmten Linien verkehren, baut der Diagnoseeinsatz dort auf moderne Zugbussys-teme auf, die eine Diagnoseeinführung stark vereinfachen. Im Schienengüterverkehr dagegen ist der Einsatz der Diagnose-technik bisher erst auf Pilotprojekte beschränkt. Ursächlich für die geringe Verbreitung der Diagnosetechnik im Gü-terverkehr ist die fehlende Energie- und Datenleitung zwischen den standardisierten, im Einzelwagenverkehr europaweit eingesetzten Güterwagen. Diese Randbedingung muß jedoch als nicht änderba-res Faktum akzeptiert werden.
Vorhandene Diagnosesysteme
Im Gefahrguttransport müssen sehr hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Sicherheit des Transportsystems gestellt werden. Nur das frühzeitige Erkennen möglicher Ausfälle und de-ren Ausmaß und Bedeutung ermöglicht eine weitere Verbesserung des vorhandenen Systems bezüglich der Sicherheit und Zuverläs-sigkeit. Die Fehler-Möglichkeits- und Einflußanalyse (FMEA) be-steht aus der systematischen Untersuchung der möglichen Ausfäl-le eines Systems bezogen auf die Auswirkungen auf die Funktions-tüchtigkeit und die Sicherheit aller betroffenen Elemente. Mittels der FMEA wird ermöglicht, systematisch Schwachstellen zu erken-nen und zu quantifizieren. In Szenarioüberlegungen können die Wirkungen von Maßnahmen abgeschätzt werden. So kann mittels eines objektiven Hilfsmittels ein quantitatives Maß für die Verbes-serung der Sicherheit durch frühzeitige Erkennung einer möglichen
Optimierungs-hilfsmittel
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Schadensentwicklung mittels Diagnosetechnik gegeben werden. Unterschiedliche Fahrzeuge lassen sich so für einen einheitlichen Sicherheitsstandard auslegen. Diese Möglichkeiten sollten für den Gefahrguttransport auf der Schiene genutzt werden. Wie bereits angesprochen, stellt die fehlende, dauerhafte Energie-versorgung im Schienengüterverkehr eines der Haupthindernisse für die schnelle Verbreitung von Diagnosetechnik dar. Als Möglich-keiten stehen ausreichend große Batterien sowie kleinere Akkus mit verschiedenen Nachladetechniken (Solarzellen, Radsatzgene-ratoren, Windräder mit vertikaler Achse, etc.) zur Auswahl, jedoch deckt noch keine heute verfügbare Form problemlos und kosten-günstig alle möglichen Einsatzfälle innerhalb eines Revisionsinter-valls ab.
Energieversor-gung
Um auf frei kuppelbaren Güterwagen ein telematikbasiertes Diag-nosesystem einsetzen zu können, sind verschiedene Funktionen nötig, die im folgenden näher beschrieben werden.
Um für den Fall des Auftretens eines Fehlers oder Ausfalls gezielt eingreifen zu können, ist die Ortung des Wagens zwingend not-wendig. Hierbei sind verschiedene Ansätze und Strategien denk-bar, aber nur die folgenden beiden kostengünstig realisierbar: Die Position eines Wagens kann durch Bestimmung der Position innerhalb eines Zugverbandes geschehen, bei dem entweder die Leitzentrale über die Wagen- und Zugposition informiert ist oder der Wagen durch Selbstortung über Satellitennavigation die Positi-onsbestimmung vornehmen kann.
Ortung
Um Energie und Kommunikationskosten zu sparen, kann kein kon-tinuierlicher Kontakt zwischen den Wagen und einer Zentrale be-stehen, sondern die Informationen müssen im Fahrzeug vorverar-beitet und dann sporadisch, je nach Bedarf, übermittelt werden. Als Meldestrategien im Störungsfall vom Wagen zur Leitstelle stehen drei Ansätze zur Auswahl. Im ersten Fall wird mit Hilfe von Kurzstreckenfunk zwischen autar-ken, mit Diagnostik ausgerüsteten Güterwagen ein Funk-Bussystem zur Lokomotive installiert. Vorteilhaft hierbei ist die ge-ringe Leistung, die zur Herstellung der Funkverbindung zu benach-barten Wagen zu installieren ist; nachteilig ist, daß die Leistung so
Meldung
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groß (und damit in den meisten Fällen überdimensioniert) sein muß, daß auch Wagengruppen ohne einsatzfähige Telematik si-cher übersprungen werden. Dies bedeutet, daß im Prinzip jeder Wagen aus jeder Position die Lokomotive des eigenen Zuges er-reichen können muß. Dies entspricht dann der zweiten Variante, bei der jeder Wagen direkt an die eigene Lokomotive meldet, die über die Verbindung zur Betriebsleitzentrale verfügt. Bei diesen Lösungen besteht die große Problematik der Zugtaufe und der Zu-ganfang- und Zugendedefinition und der sicheren Verbindung zur eigenen Lokomotive. Als weitere geeignete Möglichkeit wird die Sendung einer Stö-rungs- oder Gefahrenmeldung mit Hilfe eigener, auf jedem mit Te-lematik ausgerüsteten Wagen vorhandener, Funkkommunikation (GSM, GSM-R, Satellitenfunk,...) angesehen. Hierbei wird beim Auftreten einer Störung ein Kurztelegramm mit allen wichtigen In-formationen an eine zugehörige Betriebsleitzentrale gesendet, die zur Datenannahme und zum Notfallmanagement vorgesehen ist. Jeder Wagen muß sich selbständig mit kurzen Statusmeldungen in festgelegten Abständen melden, um Ausfälle des Diagnosemoduls oder Sendeunterbrechungen erkennen zu können. Bei der Datenweiterleitung wird sowohl die Kommunikation zwischen Fahrzeug und ortsfester Infrastruktur als auch die Kommunikation zwischen einzelnen Fahrzeugen eines Zuges behandelt. Für die Kommunikation Fahrzeug - Infrastruktur werden verschiedene bekannte technische Lösungen wie Mobilfunk, Zugfunk, Balisen usw. auf ihre Eignung für telematikgestützte Diagnosekonzepte untersucht. Weiterhin werden Vor- und Nachteile des Einsatzes von Kommunikationseinrichtungen zwischen Fahrzeugen eines Zuges (z. B. Zugbus) behandelt, bei denen Komponenten zur Ortung und zur Kommunikation mit ortsfester Infrastruktur nur bei einem Fahrzeug vorhanden sein müssen. Neben bekannteren Lösungen wird ein "Alarmbremsventil" zur Diskussion gestellt, bei dem ein Gefahrgutwagen durch wiederholtes, geringfügiges Entlüften der Hauptluftleitung ("leichtes Anbremsen") einen Notfall an den Lokführer signalisiert und der Zug trotzdem bis zum nächsten gut geeigneten Halteort weiterfahren kann. Dieses Alarm- bzw. Pulsationsbremsventil wird bereits in der Schweiz an Güterwagen erprobt /62/. Am Wagen selbst wird eine betrieblich hinreichend
Datenweiterlei-tung
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auffällige Signalleuchte aktiviert. Im Bereich der Gefahrguttransporte besteht besonderer Bedarf an Informationen über den Ladungszustand bzw. im Fall des Auftre-tens von Änderungen des Ladungszustandes. Wie die jüngsten Unfälle mit Gefahrgut-Güterwagen gezeigt haben, ist es v.a. sinn-voll die Parameter Druck und Temperatur des Ladegutes sowie dessen Masse zu bestimmen. Zu diesem Zweck sollten Gefahrgut-Güterwagen mit geeigneten Druck- und Temperatursensoren im Aufbau und mit geeigneten Wägesensoren (Kraftmessung oder Wegmessung und Umrech-nung in Vertikalkraft im Primärfederbereich) ausgerüstet sein. Um das Energiemanagement und die Funkkosten optimal zu ges-talten, sind die Sensoren mit eigener Auswerteelektronik zu verse-hen, die nur dann an den übergeordneten Rechner Informationen senden, wenn gewählte Schwellwerte erreicht bzw. überschritten werden.
Ladegutüberwa-chung
Im Bereich der Diagnose der Fahrdynamik besteht die Notwendig-keit, aufgetretene Entgleisungen zuverlässig feststellen zu können und eine unmittelbare Zwangsbremsung, wie bei direkten mecha-nischen Systemen, verhindern zu können (Notbremsüberbrückung bei Fahrt im Tunnel). Außerdem ist die rechtzeitige Erkennung von Federbrüchen ein wichtiges Hilfsmittel, um auf die daraus resultie-rende Vergrößerung der Entgleisungsgefahr reagieren zu können. Um aufgetretene Entgleisungen erkennen zu können, ist je ein Fe-der-Masse-System an jedem Ende des Untergestells vorzusehen, dessen Ansprechschwelle so einzustellen ist, daß damit Fehlalar-me bei Weichenüberfahrten ausgeschlossen werden. Zur Aufdeckung von Federbrüchen werden die oben genannten Kraft- bzw. Wegsensoren der Primärfederung oder ein Ultraschall-sensor am Untergestell eingesetzt und ausgewertet. Diese können ebenfalls zur Entdeckung von Radfehlern bis zur Entdeckung von Rad- oder Achslagerbrüchen genutzt werden. E-benso können Gleisfehler, z.B. Schienenbrüche erkannt werden.
Fahrdynamik
Im Bereich der Bremstechnik von Güterwagen gibt es verschiede-ne Versagensarten, die zwar durch die Bremsprobe verhindert werden sollten, wie jedoch die Praxis zeigt, dennoch bisweilen auf-
Bremstechnik
155
treten. Defekte im Bremsgestänge oder nicht verbundene Leitungen kön-nen zuverlässig über das Zeitfenster des Druckanstiegs im Brems-zylinder erkannt werden. Nicht jeder dieser Fehler führt unmittelbar zum Bremsversagen, jedoch kann der Instandhaltung ein wichtiges Werkzeug für die Erkennung und Beseitigung von Schäden gege-ben werden. Ein weiteres Hilfsmittel stellt die Einführung von Verschleißsenso-ren in den Bremsbelägen dar, wie sie bei Kraftfahrzeugen seit Jahrzehnten üblich sind. Viele der oben genannten Diagnosehilfsmittel können durch Speicherung der aktuellen Werte mit Hilfe eines Vergleichs von Normalzuständen Aussagen über bevorstehende oder notwendige Wartungsmaßnahmen liefern, so daß ein Übergang von der zeitabhägigen auf die zustandsabhängige Wartung nicht nur die Sicherheit verbessert, sondern auch bei richtigem Umgang mit den Daten, den Aufwand wesentlich verringert.
Wartung
Das Telematik-System muß auf die von den Gefahrgutwagen er-faßten und gemeldeten Gefahr- und Fehlerzustände angemessen reagieren. Vor allem bei zeitkritischen Gefahren, z.B. einer Ent-gleisung auf zweigleisigen Strecken, muß rasch gehandelt werden. Erschwerend kommt hinzu, daß Gefahrgutwagen europaweit in Bahnsystemen, bei Privatbahnen und auf Werksgeländen operie-ren und derzeit meistens nur vor Ort z. B. vom Lokführer, Fahr-dienstleiter oder der örtlichen Feuerwehr direkt in das Betriebsge-schehen eingegriffen werden kann. In der Studie ergeben sich zwei Strategien zur Alarmierung: • Alarmiert wird der Lokführer, der dann den Zug gegebenenfalls
zum Stehen bringt und örtliche Stellen über Zugfunk o. ä. be-nachrichtigt. Die Kommunikation Gefahrgutwagen – Lokführer erfolgt dabei über den Zugbus oder über ein spezielles, oben beschriebenes "Alarmbremsventil" .
• Alarmiert wird derjenige, der den Bahnbetrieb örtlich leitet und beeinflussen kann (z. B. Betriebsleitstelle bei DB AG, Fahr-dienstleiter, Werksleitung). Der Zug wird dann gegebenenfalls durch Zugbahnfunk oder auch Signaltechnik usw. angehalten
Alarmierungs- konzepte
156
und weitere Maßnahmen ergriffen (z.B. Gegenzug aufhalten, Feuerwehr, Notfallmanager rufen). Diese Alarmierung erfolgt durch Alarmzentralen, die europaweit für am Gefahrguttrans-port beteiligte Firmen betrieben werden. Die hier auflaufenden Meldungen von Telematik - Wagen werden mit zusätzlichen Daten aus Datenbanken verknüpft (z. B. Wagendaten, Details zur Ladung). Aus der Positionsmeldung des Wagens wird ermit-telt, welche lokalen Stellen eingreifen müssen (z. B. Bahnge-sellschaft, Bahnhof, örtliche Feuerwehr, Eigentümer) und es er-folgt die Alarmierung. Dies kann in der Anfangsphase telefo-nisch erfolgen. Später sollten Streckenbetreiber usw. in ihren Sicherungssystemen entsprechende Schnittstellen für eine au-tomatische Alarmierung z. B. via Internet bereitstellen (z. B. Anschluß an Betriebsleitzentralen bei DB Netz, den Leitzentra-len örtlicher Feuerwehren und Katastrophendienste).
Telematiksysteme lassen sich im Schienengüterverkehr außer zur Erhöhung der Sicherheit für weitere Anwendungsbereiche einset-zen, insbesondere im kommerziellen Bereich der Ladungsverfol-gung als auch für Instandhaltungsbelange. Diese Anwendungen nutzen am Fahrzeug ähnliche Systemkomponenten wie die hier beschriebenen Diagnosesysteme (z.B. Kommunikation, Stromver-sorgung, Ortungssysteme usw.). Durch gemeinsame Nutzung der Systemkomponenten im Fahrzeug für mehrere Telematik – An-wendungsbereiche ergeben sich Synergieeffekte. Damit wird die Einführung und der Betrieb des Telematiksystems günstiger, wobei sich weitere Möglichkeiten für die Qualitätssteigerung des Trans-portes und zur Kostensenkung ergeben: • Beim Gefahrgutwagen werden vorhandene oder geringfügig
erweiterte Telematikkomponenten für Zusatzanwendungen ge-nutzt, z. B. Ortung für verbesserte Disposition und als logisti-sche Dienstleistung, kontinuierliche Überwachung des Lade-gutzustands, Wartung nur bei tatsächlicher Unterschreitung vorgegebener Verschleißwerte, automatisierte Bremsprobe usw.
• Die Nicht-Gefahrgutgüterwagen sollten bei den Betrachtungen nicht ausgeklammert werden. Zum einen können sie Verursa-cher von Störungen bei Gefahrguttransporten sein, zum ande-ren besteht hier ganz ähnlich der Bedarf an Qualitätsverbesse-rung des Schienengütertransportes. Insbesondere die Einflußgröße bleibende Ladungsverschiebung ist ein bei Kes-
Synergieeffekte
157
selwagen nicht auftretendes Problem. Durch die insgesamt größere Stückzahl der eingesetzten Fahrzeugsysteme und durch die gemeinsam genutzte, ortsfeste Infrastruktur wie Kommunikationseinrichtungen und Einrichtungen zur Weiter-verarbeitung der Telematik – Informationen ergeben sich Kostenvorteile.
Synergie: Zusätzlicher Nutzen der Telematik - Investition durch zusätzliche Funktionen
Kosten und Nutzen
= Nutzen= Kosten
Diagnose / Gefahrmeldung
Diagnose / Gefahrmeldung
Disposition / Ortung
Diebstahlschutz Zustandsabhängige Wartung
aktuelle Logistikinfo
ElektronischeBremse
Synergieeffekt Zusatznutzen der Telematik
Synergie: Sinkende Systemkosten / Fahrzeug durch hohe Stückzahlen
Systemkosten / Fahrzeug+
nur Gefahrgut:
Gefahrgut sowie Telematikanwendungen bei regulärenGüterwagen
+
= Kosten - Fahrzeugeinrichtung und Infrastruktur
+
+
Synergieeffekt Sinkende System-kosten
159
13 Agenda Im Rahmen der Transport ’99 in München fand ein Workshop zum Thema „Telematikgestützte In-formationssysteme für den Gefahrguttransport im Schienengüterverkehr“ statt. An diesem Workshop nahmen Vertreter des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Woh-nungswesen (BMVBW), der Industrie, mehrerer europäischer Bahnen und Hochschulen teil. Am 11. Juni wurde nach Diskussion der nun notwendigen Schritte die folgende Agenda be-schlossen. Thesenpapier (Agenda) zu „Telematikgestützte Informationssysteme für den Gefahrguttransport im Schie-nengüterverkehr“ 1. Telematik ist eine neue Basistechnologie, die unabhängig von dem verladenen Gut die Qualität und die Ef-
fizienz des Schienenverkehrs steigern wird. 2. Der Telematikeinsatz bringt sowohl betriebliche Vorteile (z.B. kürzere Bremsprobe, bessere Bremse, Zug-
vollständigkeitsintegrität) als auch Vorteile für den Verlader, Waggoneinsteller und Betreiber (DB Cargo) u.a. durch ständige Überwachung von Wagen und Ladung inklusive einer Positionsbestimmung.
3. Telematiksysteme werden prinzipiell als geeignetes Mittel zur weiteren Erhöhung der Sicherheit der Ge-
fahrguttransporte auf der Schiene angesehen. 4. Auch die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit des Schienengüterverkehrs muß durch den Telematikeinsatz
verbessert werden. 5. Telematikeinsatz bedarf internationaler Akzeptanz. 6. Die Systeme sollten als autarke Systeme für einzelne Wagen konzipiert werden. 7. Die notwendige Informationsübertragung zur Lok soll indirekt über eine Providerzentrale und die
Betriebsleitung sowie direkt vom Wagen zur Lok erfolgen. 8. Die betriebstaugliche Entwicklung von geeigneten Systemen ist durch Offenlegung unterstützender Daten,
insbesondere von Beschleunigungs-Lastkollektiven an Drehgestell- und Fahrzeugrahmen zu fördern. 9. Standardisierung der Datenübertragung ist nur zwischen Wagen und Lok und zwischen Provider und Be-
triebsleitzentrale erforderlich. 10. Die Gestaltung der Informationsverarbeitung sicherheitsrelevanter Daten ist in die entsprechenden Gremien
z.B. RID und UIC einzubringen.
160
14 Tabellenverzeichnis TABELLE 1:ENERGIEVERSORGUNG TELEMATIKSYSTEM ................................................................ 37 TABELLE 2: ÜBERBLICK ÜBER DIE PROJEKTRELEVANTEN DIAGNOSE- UND MEßGRÖßEN SOWIE DIE
DAZU PASSENDEN SENSORWIRKPRINZIPIEN ........................................................................... 61 TABELLE 3: ÜBERBLICK ÜBER FELDBUSSYSTEME // ...................................................................... 70 TABELLE 4: AUSFALLURSACHEN UND –RATEN INTEGRIERTER SCHALTKREISE ............................... 78
161
15 Abbildungsverzeichnis BILD 1: METHODISCHES VORGEHEN INNERHALB DER MATRIX-FMEA.......................................... 15 BILD 2: BEWERTUNG MÖGLICHER AUSFÄLLE BEIM KESSELWAGENAUFBAU................................... 16 BILD 3: BEWERTUNG DER AUSFÄLLE DES KESSELWAGENAUFBAUS............................................... 17 BILD 4: BEWERTUNG DES KESSELWAGENAUFBAUS MIT ZUSÄTZLICHER DIAGNOSE........................ 18 BILD 5: BEWERTUNG DER AUSFÄLLE DES KESSELWAGENLAUFWERKS .......................................... 21 BILD 6: BEWERTUNG DER AUSFÄLLE DES KESSELWAGENLAUFWERKS MIT ZUSÄTZLICHER DIAGNOSE
........................................................................................................................................... 22 BILD 7: BEWERTUNG DES NUTZENS DER DIAGNOSE MITTELS DER FMEA...................................... 23 BILD 8: TELOC 2200 .................................................................................................................... 25 BILD 9: TELOC 2200 (INNERER AUFBAU) ..................................................................................... 25 BILD 10: BREMSSTEUERUNG........................................................................................................ 31 BILD 11: WARTUNGSSYSTEM....................................................................................................... 31 BILD 12: MOTORSTEUERUNG ....................................................................................................... 31 BILD 13: ENERGIEVERSORGUNGSKONZEPTE DES AUTARKEN GÜTERWAGENS................................. 38 BILD 14: ORTUNGS-/ MELDUNGS- UND EINGRIFFSSTRATEGIEN DES AUTARKEN GÜTERWAGENS .... 39 BILD 15: AUSWAHL VERFÜGBARER FÜLLSTANDSSENSOREN DER FA. KROMA, MAGDEBURG.......... 44 BILD 16: MEßEINRICHTUNGEN DER VERTIKALKRÄFTE AM FAHRWERK (Y25) ................................ 48 BILD 17: ENTGLEISUNGSDETEKTOR EDT 100............................................................................... 51 BILD 18: RADSATZLAGER DER FA. SKF MIT INTEGRIERTEM SENSOR ZUR ERFASSUNG VON
TEMPERATUR , GESCHWINDIGKEIT UND DREHRICHTUNG ...................................................... 54 BILD 19: ABLAUF DER BREMSPROBE BEI GÜTERWAGEN (1) // ....................................................... 56 BILD 20: ABLAUF DER BREMSPROBE BEI GÜTERWAGEN (2) /28/ ................................................... 56 BILD 21: ABLAUF DER BREMSPROBE BEI GÜTERWAGEN (3) /28/ ................................................... 57 BILD 22: ZUSTANDSRÄUME DER BREMSDIAGNOSE ....................................................................... 58 BILD 23: VERSCHLEIßSENSOR IM BREMSBELAG ............................................................................ 59 BILD 24: KETTENSTRUKTUR ........................................................................................................ 66 BILD 25: PARALLELSTRUKTUR..................................................................................................... 67 BILD 26: SCHLEIFENSTRUKTUR.................................................................................................... 67 BILD 27: DARSTELLUNG DER AMPLITUDENMODULATION.............................................................. 71 BILD 28: DARSTELLUNG DER FREQUENZMODULATION.................................................................. 72 BILD 29: DARSTELLUNG DER PHASENMODULATION (OBEN: ORIGINALSIGNAL, UNTEN: MODULIERTE
TRÄGERWELLE..................................................................................................................... 72 BILD 30: PULSCODEMODULATION ................................................................................................ 73 BILD 31: ANKOPPLUNG EINES PROZEßLEITSYSTEMS AN EINEN PROZEß (DAS
AUTOMATISIERUNGSSYSTEM IST ZENTRALISIERT UND KANN SICH WEIT WEG VOM PROZEß
BEFINDEN). .......................................................................................................................... 75 BILD 32: ANKOPPLUNG EINES FAHRZEUGLEITTECHNIKSYSTEMS MIT DEN SENSOREN UND AKTOREN
(PROZEß) EINES EISENBAHNWAGENS ÜBER ANSCHALTBAUGRUPPEN. .................................... 75 BILD 33: BADEWANNENKURVE.................................................................................................... 76
162
BILD 34: FEHLEREINTEILUNG....................................................................................................... 79 BILD 35: ON-LINE-SELBSTTEST VON DIGITALEN SCHALTUNGEN ................................................... 83 BILD 36: ON-LINE-SELBSTTEST VON ANALOGEN SCHALTUNGEN .................................................. 84 BILD 37: KOMMUNIKATION ZUR MEßWERTERFASSUNG (SIMPLEXKANAL) ..................................... 85 BILD 38: KOMMUNIKATION ZUM TESTEN (SIMPLEXKANAL).......................................................... 85 BILD 39: KOMMUNIKATION ZUR MEßWERTERFASSUNG (BUSSYSTEM)........................................... 86 BILD 40: KOMMUNIKATION ZUM SELBSTTEST (BUSSYSTEM)......................................................... 86 BILD 41: VERSORGUNGSSTROMTESTS BEI UNTERSCHIEDLICHEN STIMULI ...................................... 87 BILD 42: SELBSTTEST DIGITALER SCHALTKREISE ......................................................................... 88 BILD 43: ANORDNUNG DER MEßSENSORIK AM FAHRZEUG ............................................................ 90 BILD 44: TELEMATIKSCHNITTSTELLEN AN EINEM GÜTERWAGEN................................................... 91 BILD 45: EXTERNE KOMMUNIKATION .......................................................................................... 97 BILD 46: TOPOGRAPHISCHE BESONDERHEITEN UND KONSEQUENZEN DER FUNKKOMMUNIKATION. 99 BILD 47: NETZABDECKUNG D1 (DEUTSCHLAND) ....................................................................... 102 BILD 48: NETZABDECKUNG D2 (DEUTSCHLAND) ....................................................................... 102 BILD 49: NETZABDECKUNG FRANCE TELECOM MOBILE 900 (FRANKREICH) ............................... 102 BILD 50: NETZABDECKUNG BOUYGUES TELECOM (FRANKREICH)............................................... 102 BILD 51: NETZABDECKUNG TELECOM ITALIA 900 (ITALIEN) ...................................................... 103 BILD 52: NETZABDECKUNG POLKOMTEL SA (POLEN) ................................................................ 103 BILD 53: NETZABDECKUNG KPN TELECOM (HOLLAND)............................................................. 103 BILD 54: NETZABDECKUNG AIRTEL MOVIL S.A. GSM 900 (SPANIEN) ....................................... 103 BILD 55: ALARMIERUNG HEUTE ................................................................................................. 112 BILD 56: ALARMIERUNG MIT PULSATIONSBREMSVENTIL “TELEMATIK NOW” .............................. 119 BILD 57: ALARMIERUNG MIT ALARMIERUNGSZENTRALE ........................................................... 122 BILD 58: SYNERGIEEFFEKTE DURCH ZUSÄTZLICHE NUTZUNGEN ................................................. 127 BILD 59: SYNERGIEEFFEKTE DURCH HOHE STÜCKZAHLEN .......................................................... 128
16 Literatur /1/ Eisenbahn-Revue International 4/1999, S. 117 /2/ Dipl.-Ing. Pallgen, „Unrunde Räder an Eisenbahnfahrzeugen“, Tetzlaff-Verlag; 2. Schienenfahrzeug-
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165
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50ff.
Diagnose- und Telematikkonzepte für den Schienengüterverkehr Anhang 1
10
9
8
7
6
33 33 33 33 33 5
Umwelt und Personen vor Gefährdungen durch das Gefahrgut schützen
20 hohe Führungskräfte wirken aufs Rad 10 11 11 11 11 4 20
34 Feder gebrochen 10 11 11 11 11 11 11 11 4 34
22 Auslenkung eines Rades in einer Weiche 10 22
13Grenzmaß für Abnutzung des Spurkranzes unterschritten (qR < 6,5 mm)
10 11 11 11 13
42 instabiles Fahrverhalten 10 42
6 Rad gebrochen 9 11 11 11 22 22 33 33 6
4 Räder haben Kontakt zum Gleis verloren 9 11 11 11 22 22 33 33 4
54
nichtanlaufendes Rad ist völlig entlastet und hebt ab (i.d R. durch hohe Kupplungsquerkräfte, so daß hohe Radsatzlager-Querkräfte an den Radsätzen entstehen)
9 11 11 11 11 11 22 22 33 33 4 43
10 Radsatzwelle gebrochen 9 11 11 11 11 11 11 10
16 Bremskraftübertragung aufs Rad zu gering 10 22 22 16
17Bremskraftübertragung ungleichmäßig auf die einzelnen Räder
10 22 22 17
18 keine Bremskraftübertragung aufs Gleis 9 22 22 18
43lauftechnisch notwendiges Mindestausdrehmoment (Gleitstück) wird nicht eingehalten
10 43
43bei starker einseitiger Belastung bleibt Ausdrehmoment nicht möglichst niedrig (Gleitstück)
10 43
39 erhöhte Richtkräfte durch Fliehkraft bzw. Hangabtriebsüberschußkraft
10 11 39
40 erhöhte Richtkräfte durch Windkraft 10 40
41 erhöhte Richtkräfte durch Widerstand der Drehgestellauslenkung
10 41
55Radlastverminderung dadurch daß das bogeninnere Rad mit dem Stirnkranzrücken gegen eine Leitschiene läuft
9 40
57 Radlastverminderung durch Verwindung (z.B. Überhöhungsrampe)
10 40
9 Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene ist groß
10 11 11 11 9
26 Querversatz des Radsatzes 9 11 4 26
7 Rad gerissen 10 7
28 Wagenkupplung löst sich 10 11 11 4 4 28
29 Wagenkupplung schließt nicht 10 11 11 4 4 29
32Eigenschwingungen des Fahrzeugs werden durch Unebenheiten im Gleis angeregt
10 11 11 32
56
Radlastverminderung durch Querkräfte aus Flieh- und Hangabtriebskraft und Windkräfte, die zu Änderungen der Einfederung führen und damit ein erhöhtes Wankmoment erzeugen
36 Puffer nimmt Stöße nicht ausreichend auf 10 11 4 4 36
5 Rad ist unrund 9 11 5
1 Rad gleitet 10 22 22 33 33 1
8 Radlagerschaden 7 11 11 0 8
2 Rad schleudert 10 22 22 33 33 2
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Kesselwagenlaufwerk ohne Diagnose: Bestimmung der Funktionen und Fehlfunktionen
Diagnose- und Telematikkonzepte für den Schienengüterverkehr Anhang 7
0 1 Radsätze einschließlich Radsatzlager
9 9 7 9 7 9 9 9 9 4 10
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13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 E
10 20 hohe Führungskräfte wirken aufs Rad 10
10 34 Feder gebrochen 10
10 22 Auslenkung eines Rades in einer Weiche 10
10 13Grenzmaß für Abnutzung des Spurkranzes unterschritten (qR < 6,5 mm)
10
10 42 instabiles Fahrverhalten 10
9 9 9 9 6 Rad gebrochen 9
9 9 9 9 4 Räder haben Kontakt zum Gleis verloren 9
9 10 54
nichtanlaufendes Rad ist völlig entlastet und hebt ab (i.d R. durch hohe Kupplungsquerkräfte, so daß hohe Radsatzlager-Querkräfte an den Radsätzen entstehen)
9
9 9 9 9 10 Radsatzwelle gebrochen 9
10 16 Bremskraftübertragung aufs Rad zu gering 10
10 17Bremskraftübertragung ungleichmäßig auf die einzelnen Räder
10
9 9 9 9 18 keine Bremskraftübertragung aufs Gleis 9
10 11 Federspiel nicht angepaßt 10
10 3 Räder haben geringen Kontakt zum Gleis 10
10 19 geringe Vertikalkräfte wirken aufs Rad 10
10 43lauftechnisch notwendiges Mindestausdrehmoment (Gleitstück) wird nicht eingehalten
10 39erhöhte Richtkräfte durch Fliehkraft bzw. Hangabtriebsüberschußkraft
10
10 40 erhöhte Richtkräfte durch Windkraft 10
10 41erhöhte Richtkräfte durch Widerstand der Drehgestellauslenkung
10
9 55Radlastverminderung dadurch daß das bogeninnere Rad mit dem Stirnkranzrücken gegen eine Leitschiene läuft
9
10 57Radlastverminderung durch Verwindung (z.B. Überhöhungsrampe)
10
10 9Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene ist groß
10
9 9 26 Querversatz des Radsatzes 9
10 7 Rad gerissen 10
10 28 Wagenkupplung löst sich 10
10 29 Wagenkupplung schließt nicht 10
10 32Eigenschwingungen des Fahrzeugs werden durch Unebenheiten im Gleis angeregt
10
10 56
Radlastverminderung durch Querkräfte aus Flieh- und Hangabtriebskraft und Windkräfte, die zu Änderungen der Einfederung führen und damit ein erhöhtes Wankmoment erzeugen
10
9 10 38Versetzte Schwerpunktlage der Fahrzeugmassen
9
10 33 erhöhte Vertikalbeschleunigungen 10
10 53 erhöhte Querbeschleunigung 10
10 35 Feder ermüdet 10
10 36 Puffer nimmt Stöße nicht ausreichend auf 10
9 9 5 Rad ist unrund 9
10 1 Rad gleitet 10
7 9 9 8 Radlagerschaden 7
10 2 Rad schleudert 10
7 44 Bremsklötze lösen nicht 7
56 0
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(Betrachtungseinheit)Komponente
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3(Fehler)
Fehlfunktion
Kesselwagenlaufwerk ohne Diagnose: Bewertung der Entdeckung
Diagnose- und Telematikkonzepte für den Schienengüterverkehr Anhang 8
6
5 Gleitschutz 1
4Absicherung des Ladegutes gegenüber Transportbeanspruchung und Verrutschen
22 Auslenkung eines Rades in einer Weiche 10 100 100
13Grenzmaß für Abnutzung des Spurkranzes unterschritten (qR < 6,5 mm)
9 90 90
42 instabiles Fahrverhalten 9 90 60 40 60 50 90
6 Rad gebrochen 10 90 54 90
4 Räder haben Kontakt zum Gleis verloren 10 90 36 54 90
43
nichtanlaufendes Rad ist völlig entlastet und hebt ab (i.d R. durch hohe Kupplungsquerkräfte, so daß hohe Radsatzlager-Querkräfte an den Radsätzen entstehen)
3 Räder haben geringen Kontakt zum Gleis 9 90 40 90
19 geringe Vertikalkräfte wirken aufs Rad 9 90 60 90
43lauftechnisch notwendiges Mindestausdrehmoment (Gleitstück) wird nicht eingehalten
9 90 60 20 90
43bei starker einseitiger Belastung bleibt Ausdrehmoment nicht möglichst niedrig (Gleitstück)
9 90 60 70 20 90
39 erhöhte Richtkräfte durch Fliehkraft bzw. Hangabtriebsüberschußkraft
9 90 90
40 erhöhte Richtkräfte durch Windkraft 9 90 60 90
41 erhöhte Richtkräfte durch Widerstand der Drehgestellauslenkung
9 90 60 90
40
Radlastverminderung dadurch daß das bogeninnere Rad mit dem Stirnkranzrücken gegen eine Leitschiene läuft
10 90 81 54 45 54 45 45 90
40 Radlastverminderung durch Verwindung (z.B. Überhöhungsrampe)
9 90 90
9 Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene ist groß
9 90 40 50 50 90
26 Querversatz des Radsatzes 9 81 36 45 81
7 Rad gerissen 8 80 80
28 Wagenkupplung löst sich 7 70 70
29 Wagenkupplung schließt nicht 7 70 70
32Eigenschwingungen des Fahrzeugs werden durch Unebenheiten im Gleis angeregt
7 70 60 70
39
Radlastverminderung durch Querkräfte aus Flieh- und Hangabtriebskraft und Windkräfte, die zu Änderungen der Einfederung führen und damit ein erhöhtes Wankmoment erzeugen
13 Grenzmaß für Abnutzung des Spurkranzes unterschritten (qR < 6,5 mm)
10 11 11 116 Rad gebrochen 9 11 11 11 22 22 33 334 Räder haben Kontakt zum Gleis verloren 9 11 11 11 22 22 33 3310 Radsatzwelle gebrochen 9 11 11 11 11 11 113 Räder haben geringen Kontakt zum Gleis 10 11 22 22 33 33
43lauftechnisch notwendiges Mindestausdrehmoment (Gleitstück) wird nicht eingehalten
10
43bei starker einseitiger Belastung bleibt Ausdrehmoment nicht möglichst niedrig (Gleitstück)
10
39 erhöhte Richtkräfte durch Fliehkraft bzw. Hangabtriebsüberschußkraft
10 1140 erhöhte Richtkräfte durch Windkraft 10
41 erhöhte Richtkräfte durch Widerstand der Drehgestellauslenkung
10
55Radlastverminderung dadurch daß das bogeninnere Rad mit dem Stirnkranzrücken gegen eine Leitschiene läuft
9
57 Radlastverminderung durch Verwindung (z.B. Überhöhungsrampe)
10
9 Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene ist groß 10 11 11 1120 hohe Führungskräfte wirken aufs Rad 8 11 11 11 11 47 Rad gerissen 10
26 Querversatz des Radsatzes 8 11 432 Eigenschwingungen des Fahrzeugs werden durch
Unebenheiten im Gleis angeregt10 11 11
38 Versetzte Schwerpunktlage der Fahrzeugmassen 9 11 11 11 11
56
Radlastverminderung durch Querkräfte aus Flieh- und Hangabtriebskraft und Windkräfte, die zu Änderungen der Einfederung führen und damit ein erhöhtes Wankmoment erzeugen
8
5 Rad ist unrund 9 111 Rad gleitet 10 22 22 33 33
54
nichtanlaufendes Rad ist völlig entlastet und hebt ab (i.d R. durch hohe Kupplungsquerkräfte, so daß hohe Radsatzlager-Querkräfte an den Radsätzen entstehen)
10 39 erhöhte Richtkräfte durch Fliehkraft bzw. Hangabtriebsüberschußkraft
10
10 40 erhöhte Richtkräfte durch Windkraft 10
10 41 erhöhte Richtkräfte durch Widerstand der Drehgestellauslenkung
10
9 55Radlastverminderung dadurch daß das bogeninnere Rad mit dem Stirnkranzrücken gegen eine Leitschiene läuft
9
10 57 Radlastverminderung durch Verwindung (z.B. Überhöhungsrampe)
10
10 9 Anlaufwinkel zwischen Rad und Schiene ist groß 10
8 10 20 hohe Führungskräfte wirken aufs Rad 8
10 7 Rad gerissen 10
8 9 9 26 Querversatz des Radsatzes 8
10 32 Eigenschwingungen des Fahrzeugs werden durch Unebenheiten im Gleis angeregt
10
9 10 38 Versetzte Schwerpunktlage der Fahrzeugmassen 9
8 10 56
Radlastverminderung durch Querkräfte aus Flieh- und Hangabtriebskraft und Windkräfte, die zu Änderungen der Einfederung führen und damit ein erhöhtes Wankmoment erzeugen
8
9 9 5 Rad ist unrund 9
10 1 Rad gleitet 10
4 9 10 54
nichtanlaufendes Rad ist völlig entlastet und hebt ab (i.d R. durch hohe Kupplungsquerkräfte, so daß hohe Radsatzlager-Querkräfte an den Radsätzen entstehen)
Radlastverminderung durch Querkräfte aus Flieh- und Hangabtriebskraft und Windkräfte, die zu Änderungen der Einfederung führen und damit ein erhöhtes Wankmoment erzeugen
7 56 56
5 Rad ist unrund 6 45 45 54 36 45 45 36 54 54
1 Rad gleitet 5 40 10 40 50 50 50
43nichtanlaufendes Rad ist völlig entlastet und hebt ab (i.d R. durch hohe Kupplungsquerkräfte, so daß hohe Radsatzlager-Querkräfte an den Radsätzen entstehen)
