Kraftschlussbasierte Unterstützung des automatisierten Zugbetriebs (ATO)

Einleitung/Kontext

Das rechtlich bindende Ziel der EU, bis zum Jahr 2050 Klimaneutralität (Netto-Null-Emissionen) zu erreichen, ist im Europäischen Klimagesetz sowie im European Green Deal festgeschrieben. Als Meilenstein auf diesem Weg strebt die EU an, die Netto-Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 55 % gegenüber dem Stand von 1990 zu senken. Diese Zielvorgaben sind darauf ausgerichtet, mit dem Pariser Klimaschutzabkommen im Einklang zu stehen und sicherzustellen, dass alle Sektoren, insbesondere der Verkehrssektor, zur Emissionsminderung beitragen[1].
Es ist allgemein anerkannt, dass die Verlagerung des Personen- und Güterverkehrs von der Straße auf die Schiene für das Erreichen der Klimaziele unerlässlich ist, da der Schienenverkehr eine deutlich geringere CO₂-Belastung aufweist als der Straßentransport. Dementsprechend will die EU den öffentlichen Verkehr ausweiten, insbesondere den Schienenverkehr, und dies sowohl im konventionellen als auch im Hochgeschwindigkeitsbereich. Prognosen zufolge wird der Schienenpersonenverkehr bis 2030 ein Volumen von 633 Milliarden Personenkilometern erreichen, was fast 10 % des gesamten Verkehrsaufkommens entspricht [2]. Um diese insgesamt steigende Verkehrsnachfrage bewältigen zu können, müssen entsprechende Lösungen entwickelt werden.

Maßnahmen zur Kapazitätserhöhung des Bahnverkehrs

Die unmittelbaren Möglichkeiten zur Erweiterung der Transportkapazität im Bahnverkehr sind insbesondere aufgrund von Einschränkungen der Schieneninfrastruktur begrenzt [3]. Erschwert wird diese Situation durch den Zielkonflikt zwischen der Kapazitätssteigerung einerseits und der Aufrechterhaltung von Betriebsstabilität und Pünktlichkeit andererseits, beides wesentliche Leistungskennzahlen im Bahnbetrieb. Da der Ausbau der Schieneninfrastruktur sowohl zeit- als auch kostenintensiv ist, bleibt das Potenzial für Kapazitätssteigerungen allein auf diesem Wege stark begrenzt. Dennoch gibt es alternative, beispielsweise betriebliche Ansätze, die in Betracht gezogen werden können.

Wie in [4] dargelegt, spielt die Verweildauer der Züge in Bahnhöfen, welche maßgeblich vom Fahrgastwechsel abhängt, eine wichtige Rolle für einen effizienteren Bahnbetrieb. Dies wird auch in [5] mit Fokus auf den britischen Bahnverkehr bestätigt.

Weitere Maßnahmen lassen sich in den Bereichen Automatisierung und streckenseitige Signaltechnik realisieren. Ein Beispiel hierfür ist die Metropolitan Transportation Authority (MTA) in den USA, die auf mehreren Linien in New York CBTC (Communication-Based Train Control) einführt. Ziel ist es unter anderem, eine dichtere Zugfolge und damit eine höhere Transportkapazität zu erreichen [6].

Aus [7] lässt sich ableiten, dass Bremssysteme sowie deren Leistungsfähigkeit und Ansprechverhalten direkte Auswirkungen auf die Zugfolgezeiten haben, was wiederum die Streckenkapazität beeinflusst. Wie Bremssysteme die anzusetzende Verzögerung und damit die betrieblich relevante Leistungsfähigkeit der Züge beeinflussen, wird zudem in [8] beschrieben.

Dies führt uns zu der Schlussfolgerung, dass Optimierungen an den Bremssystemen einen positiven Effekt auf die betriebliche Leistungsfähigkeit und die Streckenkapazität des Bahnverkehrs haben. Verfolgt man diesen Ansatz weiter, müssen solche Verbesserungen jedoch konsequent als Teil einer integrierten Lösung im Zusammenspiel mit der Signaltechnik betrachtet werden. Andernfalls bleibt wertvolles Potenzial sowohl bei der Bremsleistung als auch bei der Steigerung der Transportkapazität ungenutzt.

Ansatz mit Fokus auf Bremssystem und Kraftschluss Rad-Schiene

Der hier vorgestellte Ansatz zielt darauf ab, die Bremsleistung insbesondere bei niedrigen Kraftschlussbedingungen zu optimieren und realitätsnah abzubilden. Das Konzept beruht dabei auf drei Säulen: Ausgangspunkt ist die Kartierung der Kraftschlussbedingungen (Adhesion Mapping) zur Abbildung des aktuellen Zustands im Rad-Schiene-Kontakt, gefolgt von der Berücksichtigung sämtlicher Kraftschluss-relevanter Maßnahmen. Diese reichen von der optimierten Ausnutzung des vorhandenen Kraftschlusspotenzials bis hin zurKraftschlussverbesserung . Durch den Einsatz der zugehörigen Kraftschlussmanagementsysteme lassen sich die erreichbaren Verzögerungen von Schienenfahrzeugen maßgeblich beeinflussen, insbesondere unter schwierigen Umweltbedingungen, wie sie im Herbstbetrieb auftreten. Diese Systeme leisten damit einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung von Kapazität, Stabilität und Pünktlichkeit im Gesamtsystem Eisenbahn, vor allem im Zusammenspiel mit künftigen ATO-Anwendungen oder der ETCS-Zugsicherung (European Train Control System).

Vielversprechend erscheint dabei auch die Möglichkeit, die heute erforderlichen Pufferzeiten durch erweitertes, situationsabhängiges Systemwissen zu reduzieren, wobei bei gleichbleibendem oder sogar erhöhtem Sicherheitsniveau höhere anrechenbare Verzögerungen erzielt werden können [9]. Diese Aufgabe steht auch im Fokus des Projekts R2DATO (Rail to Digital Automated up to Autonomous Train Operation), welches im Rahmen der EU-Initiative „Europe’s Rail Joint Undertaking“ (Europe’s-Rail) bearbeitet wird. Knorr-Bremse unterstützt dieses Projekt mit Technologien aus seinem Programm „Reproducible Braking Distance“ (RBD) durch den Einsatz von Lösungen für das Brems- und Kraftschlussmanagement, einschließlich Systemen zur Bestimmung des Rad-Schiene-Kraftschlusses.

Zusammenwirken der Funktionen für maximale Leistungsfähigkeit

Das Verständnis der bestehenden Zusammenhänge im Rad-Schiene-Kontakt bildet die Grundlage möglicher Lösungen, mit welchen sich die gewünschte Bremsleistung unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich vermindertem Kraftschluss, zuverlässig erreichen lässt. Über die Jahre wurde durch zahlreiche Versuche an Prüfständen, wie dem ATLAS-Rollenprüfstand (Advanced Test Laboratory for Adhesion-based Systems), sowie durch Testkampagnen mit Versuchszügen eine Vielzahl von Grundlagendaten und Erkenntnissen gewonnen. Dieses Wissen ermöglicht die Entwicklung von Lösungen zur Bestimmung des aktuell vorhandenen Kraftschlussniveaus zwischen Rad und Schiene. Weiterhin ergeben sich Möglichkeiten für eine anschließende optimale Ausnutzung während der Verzögerungsphase sowie, wo möglich, für eine gezielte Verbesserung des Kraftschlusses. Damit diese potenziellen Lösungen jedoch in der Praxis berücksichtigt werden können, müssen deren Anwendung und Einsatz entsprechend mit Zertifizierungs- und Zulassungsprozessen hinterlegt werden.

Das Konzept kann sowohl für ATO-Systeme als auch für die Zugsicherung mit ETCS verwendet werden. Zu diesem Zweck lassen sich in beiden Systemen entsprechende Verzögerungswerte hinterlegen, die dann in Abhängigkeit von externen Parametern, wie dem Rad-Schiene-Kraftschluss, abgerufen werden. Obwohl der methodische Ansatz für ATO und ETCS vergleichbar ist, sind die regulatorischen Anforderungen für ATO weniger streng als jene für ETCS, welches unmittelbar für die Zugsicherung verantwortlich ist. Vor diesem Hintergrund ist es ratsam, die neuen Lösungsansätze zunächst im Bereich ATO zu etablieren, bevor in einem zweiten Schritt die Übertragung auf das ETCS erfolgt.
Im Folgenden wird ein beispielhafter Betriebsablauf beschrieben: Ein erstes Fahrzeug bremst auf verunreinigten (beispielsweise nassen oder mit Laub bedeckten ) Schienen und erkennt dabei eine Situation mit vermindertem Kraftschluss. Die relevanten Daten werden anschließend über eine Cloud-Umgebung mit dem Infrastrukturbetreiber geteilt, um eine Kartierung der Kraftschlusszustände zu ermöglichen. Anhand dieser und weiterer Daten, z. B. aktueller Wetterdaten, kann der Infrastrukturbetreiber, nach entsprechender Weiterverarbeitung, dem nächsten sich nähernden Fahrzeug aktualisierte Informationen zur Verfügung stellen. Dieses nachfolgende Fahrzeug wiederum kann daraus die beim Bremsen zu erwartende eigene Verzögerung in dem Streckenabschnitt abschätzen. Auf Basis dieser Informationen können der Infrastrukturbetreiber oder das ATO-System die Betriebsplanung entsprechend anpassen (Abbildung 1). Insbesondere in einem automatisierten System könnten diese zusätzlichen Erkenntnisse genutzt werden, um einen Bahnbetrieb nahe der aktuellen Kapazitätsgrenze zu ermöglichen. Weiterhin könnten bislang sehr konservativ berechnete Zeitpuffer zwischen Zügen ohne Sicherheitsverlust reduziert und damit die Netzkapazität erhöht werden.

Für das ETCS (European Train Control System) beschreibt das UNISIG Subset-026, Teil 3 [10], das Verfahren zur Berücksichtigung verminderter Kraftschlussverhältnisse bei den anzuwendenden Bremsverzögerungen. Hierbei kommt dem Korrekturfaktor K_wet eine zentrale Bedeutung zu. Er quantifiziert die Reduktion der Bremsleistung unter „nassen Schienenbedingungen“ im Vergleich zum trockenen Zustand. Die Grundlage hierfür bildet derzeit eine in der Norm EN 15595 [11] für Gleitschutzsysteme definierte Kraftschlusssituation. Aktuell sind die K_wet-Werte für jeden Zug fest vorgegeben, wobei ihr Einsatz von den Vorgaben des Infrastrukturbetreibers abhängt, welcher über deren Verwendung entscheidet. Dies geschieht ohne Berücksichtigung des tatsächlichen Kraftschlusszustands. Als Rückfallebene können wiederum, basierend auf Meldungen des Triebfahrzeugführers, weitere Verzögerungswerte (NV_MAXREDADH) herangezogen werden. Nähere Vorgaben zur Bestimmung von K_wet sind in [8] zu finden. Ein deutlich höherer Nutzen ließe sich erzielen, wenn dynamische K_wet-Werte auf Basis der tatsächlichen Bedingungen genutzt würden, um Bremswege bei niedrigen Kraftschlussverhältnissen zuverlässig zu bestimmen. Während für das ETCS der K_wet-Ansatz zur Anwendung kommt, ließen sich vergleichbare Konzepte auch im ATO-Betrieb einsetzen. Dies wäre insbesondere vorteilhaft, um Erfahrungen mit derartigen Implementierungen zu sammeln, da ATO im Vergleich zum ETCS als weniger sicherheitskritisch eingestuft wird.

Erste Vorschläge für eine Anpassung der Verzögerungsparameter von Zügen in Abhängigkeit vom Kraftschluss Rad-Schiene werden bereits diskutiert.

Als Grundlage für diesen Ansatz dienen bereits bekannte Methoden zur Bestimmung oder Vorhersage des aktuellen Rad-Schiene-Kraftschlusses, wie sie beispielsweise im Vereinigten Königreich angewendet werden. Implementierungen zur Vorhersage von vermindertem Kraftschluss finden sich dort beim Wetterdienst Met Office, der hierfür Wettermodelle und Umweltdaten heranzieht [12].
Knorr-Bremse hat bereits erste Bausteine zur Umsetzung dieser Konzepte entwickelt und auf dem Testzug aTL (advanced TrainLab) der DB erprobt. Zunächst wurde ein Funktionsprototyp entwickelt, der es ermöglicht, die verfügbaren Kraftschlussniveaus beim Überfahren einer definierten Position auf der Strecke während der Bremsung zu bestimmen. Darüber hinaus ermöglicht der Prototyp die direkte Übertragung dieser Informationen in eine Cloud-Umgebung, verknüpft mit GNSS-gestützten Positions- und Zeitinformationen. Auf diese Weise wird eine Kraftschlusskarte (Adhesion Map) erzeugt. Im Hinblick auf die Verbesserung des Kraftschlusses bzw. dessen optimierte Ausnutzung wurden zwei weitere Funktionalitäten getestet: mit dem WheelGrip Adapt wurde ein neuer Gleitschutz-Algorithmus (Wheel Slide Protection, WSP) erprobt, der den verfügbaren Kraftschluss besser ausnutzt. Um Radschäden zu vermeiden und gleichzeitig den Bremsweg zu minimieren, nutzt der Algorithmus während des Bremsvorgangs verschiedene Regelstrategien, die sich flexibel an das jeweils herrschende Kraftschlussniveau anpassen.

Weiterhin kam ein Kraftschlussmanagement-System (Adhesion Management System, ADM)[MF1] zur Verbesserung der Rad-Schiene Kraftschlusswerte zur Anwendung. Dessen intelligente Steuerung koordiniert die Ausbringung von Sand zwischen Rad und Schiene mit Hilfe verteilter Sandungsanlagen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die vordefinierte Sandmengen an einzelnen Radsätzen ausbringen, verteilt die neue Funktion den Sand intelligent geregelt an mehreren Positionen entlang des gesamten Zuges und passt sich dabei dynamisch an den tatsächlichen Kraftschluss an.

Durch den Einsatz dieser Systeme sowie der Berücksichtigung deren Wirkung lässt sich die für den Bahnbetrieb relevante Verzögerung (die anrechenbare Betriebs- und Schnellbremsverzögerung) steigern.

Erprobung erster Bausteine des künftigen Gesamtsystems

Bereits in den Jahren 2019 [13] und 2022 [14] führten Knorr-Bremse und DB Systemtechnik Grundlagenuntersuchungen zum Rad-Schiene-Kontakt durch. Im Rahmen einer weiteren gemeinsamen Testkampagne im Jahr 2024 konnten die Projektpartner nun eine Reihe von Lösungen erfolgreich validieren und zusätzliche Grundlagendaten gewinnen, die für die Erprobung und Weiterentwicklung dieser Ansätze essenziell sind. Für die Versuche wurde das advanced TrainLab (aTL) der DB genutzt, ein dieselelektrischer Triebzug, der sowohl auf einer öffentlichen Strecke nahe Minden (Nordrhein-Westfalen) als auch auf einer Nebenstrecke in Krakow am See (Mecklenburg-Vorpommern) zum Einsatz kam. Das aTL (Baureihe 605) fungiert als „Zukunftslabor auf Schienen“ und dient gezielt dazu, neue Technologien unter realen Betriebsbedingungen zu testen und weiterzuentwickeln [15].

Vor Durchführung der aktuellen Tests wurden zusätzliche Sandungsanlagen, angepasste Bremssteuerungen mit den zu testenden Gleitschutz-Algorithmen (gekoppelt mit dem Originalsystem), sowie umfangreiche projektspezifische Messsysteme (DAQs) installiert. Letztere waren über den gesamten Zug verteilt und verfügten über mehr als 1.000 Kanäle zur Aufzeichnung des Verhaltens/ der Leistung der getesteten Systeme. Neben Sensoren zur Erfassung von Radsatzdrehzahlen, von Brems- und Vorsteuerdrücken, der Fahrzeugverzögerung und -position sowie von Signalen der Sandungssteuerung und des Sandflusses wurden zusätzlich alle internen Signale der angepassten Bremssteuerungen aufgezeichnet. Zur Bestimmung der zugweiten Verzögerungswerte wurden, ergänzend zum eigentlichen System zur Bremskrafterzeugung, zwei zusätzliche Knorr-Bremse CubeControl Bremssteuerungen installiert.

Die Analogsignale des bestehenden Bremssystems, insbesondere die Raddrehzahlen und die Steuersignale der Gleitschutzventile, wurden auf die Test-Bremssteuerung umgeleitet, auf welcher der adaptive Bremssteuerungsalgorithmus ausgeführt wurde. Um dennoch einen fehlerfreien Betrieb des Fahrzeugs sicherzustellen, wurden die Eingänge der exisierenden Bremssteuerung mit Hilfe einer speziellen von Knorr-Bremse entwickelten Mess- und Simulationsumgebungüber einen sicheren Pfad stimuliert.

Sämtliche Messdaten flossen synchron über 12 CAN-Busse in einem zentralen Datenlogger zusammen. Parallel dazu wertete ein separates, unabhängiges DAQ-System versuchskritische Signale aus und visualisierte diese live in einem Leitstand direkt im Zug.

Die wesentlichen variierten Parameter während der Versuche waren die Schienenbedingungen sowie die Einstellungen der Brems- und Kraftschlussmanagementsysteme. Um gezielt schwierige Testbedingungen zu erzeugen, wurden durch Wasser/Seife-Mischungen, Papier, Öl und Laub verschiedene Kraftschlussverhältnisse simuliert. Insgesamt wurden im Verlauf der Kampagne mehr als 350 Bremsmanöver durchgeführt.

Ergebnisse der dynamischen Erprobung

Machbarkeitsnachweis: Kartierung von Kraftschlusszuständen

Als Machbarkeitsnachweis (Proof of Concept, PoC) wurde im advanced TrainLab (aTL) der Prototyp eines Systems zur Kartierung von Kraftschlüssen installiert. Das während der gesamten Testkampagne aktive System diente dazu, Daten zu erfassen, die Aufschluss über die herrschenden Kraftschlussverhältnisse zwischen Rad und Schiene geben. Dabei wurden alle relevanten Parameter (wie der ermittelte Kraftschluss, die gemessene Verzögerung, Geschwindigkeit und Position sowie die Aktivität der Magnetschienenbremse und der Sandungsanlage) erfasst, gefiltert und via GSM an einen Cloud-Server übertragen. Eine beispielhaft implementierte Weboberfläche dient der Visualisierung dieser Daten und lässt sich flexibel an künftige Nutzeranforderungen anpassen.

Mithilfe dieser Funktionalität konnte belegt werden, dass die Bestimmung des Kraftschlusses mit bereits heute in Zügen vorhandenen Systemen möglich ist. Die Machbarkeit einer Echtzeit-Darstellung von Kraftschlussdaten wurde erfolgreich nachgewiesen. Dennoch müssen die Anforderungen an die Echtzeit-Fähigkeit für jede Anwendung spezifisch definiert werden, etwa in Abhängigkeit von den Zugfolgen. Dabei können zwischen verschiedenen Verkehrsarten, wie dem Hochgeschwindigkeits- und dem Nahverkehr, erhebliche Unterschiede bestehen. Obwohl die verfügbare Netzabdeckung stets zu berücksichtigen ist, funktionierte die Datenübertragung vom Fahrzeug in die Cloud-Umgebung zur Visualisierung reibungslos. Einmal in der Cloud hinterlegt, können die Daten dann unterschiedlichen Nutzern zur Verfügung gestellt werden (Abbildung 2). So können Infrastrukturbetreiber diese Informationen beispielsweise nutzen, um Instandhaltungsmaßnahmen wie die Schienenreinigung mittels Hochdruckreiniger zu initiieren. Gleichzeitig könnten nachfolgende Züge die Daten verwenden, um ihre erwartete Verzögerungsleistung für diesen spezifischen Streckenabschnitt einzuschätzen. Diese Informationen können anschließend in die betriebliche Verkehrsplanung sowie in die ATO-Steuerungssequenzen einfließen.

Adaptiver Gleitschutz (WSP)

Im Rahmen der Testkampagne wurde das ursprünglich im aTL installierte OE-Gleitschutzsystem durch das neue System WheelGrip Adapt ersetzt und umfassend erprobt. Kernstück des adaptiven Algorithmus ist der dynamische Wechsel in einen zusätzlichen, speziell für extrem niedrige Kraftschlussbedingungen ausgelegten Regelbereich, , sofern dieser höhere Bremskräfte ermöglicht [16]. Das Hauptziel der Versuchsreihen bestand in der Validierung eben dieses WheelGrip Adapt-Gleitschutzalgorithmus. Hierfür wurde dieser so in das Test-Bremssteuerungssystem integriert, dass er während der Fahrten flexibel im Wechsel mit einem herkömmlichen, nicht-adaptiven Algorithmus aktiviert oder deaktiviert werden konnte. Dieser Versuchsaufbau erlaubte es, den Einfluss des neuen Algorithmus auf die Ausnutzung des verfügbaren Rad-Schiene-Kraftschlusses unter „herbstlichen Bedingungen“ exakt zu quantifizieren.

Jede Versuchsreihe begann mit einer Initialisierungsphase, in der ein 500 bis 600 Meter langer Gleisabschnitt gezielt mit Verunreinigungen, insbesondere Laub, präpariert wurde. Im Anschluss wurde dieser Abschnitt mehrfach aus beiden Richtungen mit angelegter Bremse überfahren. Da der Einfluss der Laubschicht mit jeder Überfahrt abnimmt, steigt die verfügbare Bremskraft kontinuierlich an. Um den direkten Nutzen des WheelGrip Adapt im Vergleich zum herkömmlichen WheelGrip Classic zu quantifizieren, wurde die Konfiguration des Gleitschutzsystems nach jeweils zwei Durchläufen auf die jeweilig andere Variante umgeschaltet.

Im Rahmen der Datenauswertung wurde die auf dem präparierten Abschnitt erzielte mittlere Verzögerung für beide Algorithmen bestimmt und in Abhängigkeit von der Anzahl der Überfahrten grafisch dargestellt (Abbildung 3).

Die Auswertung der aufeinanderfolgenden Überfahrten zeigt, dass die mit WheelGrip Adapt erreichte Verzögerung stets über den Werten von WheelGrip Classic lag. Um die beiden Lösungen numerisch vergleichbar zu machen, wurde für jede der resultierenden Kurven eine lineare Trendlinie ermittelt. Darauf basierend wurde das Verhältnis der Trendlinien für beide Fahrtrichtungen nach folgender Formel berechnet.
Gleichung 1: Verhältnis = Trendlinie(WheelGrip Adapt) / Trendlinie(WheelGrip Classic) -1.
Der Leistungsvergleich unter den betrachteten Kraftschlussbedingungen mit Fokus auf die Laub-Präparierung ergibt ein Verhältnis zwischen WheelGrip Adapt und WheelGrip Classic von ca. 0,25 bis 0,45. Dies ist gleichbedeutend mit einer Steigerung der Bremskraft um 25 % bis 45 % durch den WheelGrip Adapt-Algorithmus (Abbildung 4).
Das System lief während der gesamten Erprobung stabil und störungsfrei. Auf Basis dieser Ergebnisse konnte erstmals auf einem Triebzug und bei Geschwindigkeiten bis 160 km/h die Zulassungsfähigkeit des Algorithmus nach EN 15595 / UIC-Merkblatt 541-05 bestätigt werden.
Zusätzlich zu den Gleitschutz-spezifischen Tests erfasste das System auch alle relevanten Daten für die Funktion der Kraftschlusskartierung

Kraftschlussmanagement mittels Bremssand

Zusätzlich zu den für das Kraftschlussmanagementsystem erforderlichen Sensoren und Steuerungskomponenten wurden an zwei entlang des Zuges verteilten Drehgestellen des aTL weitere Sandungsanlagen installiert. Deren Aktivierung basierte auf den Verzögerungsdaten, die vom Gleitschutzsystem bereitgestellt wurden.

Nach anfänglichen Herausforderungen aufgrund der Drehgestellinstallation der Sandungssysteme arbeitete das ADM-System wie erwartet. Die resultierenden Testdatensätze waren hinsichtlich des Regelverhaltens und des Einflusses auf den Rad-Schiene-Kontakt mit früheren Versuchen auf dem Knorr-Bremse ATLAS-Rollenprüfstand vergleichbar. Besonders unter Bedingungen mit niedrigem Kraftschluss (nH) wurden Verzögerungen erzielt, welche denen auf trockener Schiene ähnelten. Abbildung 5 zeigt einen Testdatensatz für solche nH-Bedingungen, welche mittels einer Wasser-Seife-Präparierung realisiert wurden. Das ADM-System wurde mit einem 2 g/m- und 4 g/m-DVRS-System verglichen und weist einen geringeren Sandverbrauch auf. Zudem wurde die geforderte Bremsverzögerung fast vollständig erreicht, was insbesondere für Bremsstufen mit geringeren Verzögerungsanforderungen gilt.

Unter Bedingungen mit extrem niedrigem Kraftschluss (xnH) wurden signifikant erhöhte Verzögerungen erzielt. Um die hierfür benötigen xnH-Bedingungen zu erzeugen, wurde eine Öl-Präparierung verwendet. Das ADM-System verbesserte den Kraftschluss dabei so weit, dass ein Wert oberhalb einer erforderlichen Mindestschwelle (GBR) erreicht wird. Wenn möglich, versucht das ADM-System auch in diesen Szenarien Sand einzusparen. Im Ergebnis blieb die Verzögerung selbst beim Bremsen auf mit Öl präparierten Schienen – was als die am stärksten kraftschlussmindernde Bedingung betrechtet wird – konstant über 0,55 m/s².

Einfluss der Magnetschienenbremse auf laubverschmutzten Schienen

Die Magnetschienenbremse (Magnetic Track Brake, MTB) stellt bei Schnellbremsungen von Schienenfahrzeugen zusätzliche Bremskraft bereit. Ebenso wichtig ist aber auch ihr Reinigungseffekt bei verminderten Kraftschlussbedingungen, wie sie beispielsweise durch Laub im Herbst entstehen.
Im Rahmen der bereits erwähnten Testkampagne aus dem Jahr 2022 [14] wurden Untersuchungen zur Kraftschlussverbesserung auf Schienenpräparierungen mittels Papierklebeband sowie Öl durchgeführt. Hierzu erfolgten mehrere aufeinanderfolgende Bremsversuche auf demselben Gleis bei nur einer initialen Präparierung. Dies ermöglichte es, die Kraftschlusszunahme sowohl zwischen aufeinanderfolgenden Radsätzen des Zuges als auch für nachfolgende Züge auf derselben Strecke auszuwerten. Die Testsequenzen wurden jeweils mit und ohne Magnetschienenbremse (MTB) durchgeführt, um die durch die MTB verursachte zusätzliche Kraftschlussverbesserung quantifizieren zu können.
Bereits während der Testkampagne 2019 [13] wurde die Vergleichbarkeit mittels Papierklebeband beziehungsweise Laub erzeugter Verunreinigungen in Bezug auf die generellen Kraftschlussbedingungen bei Einzelbremsungen ohne MTB nachgewiesen.
Als nächster Schritt bestand innerhalb der aktuellen Testkampagne ein Ziel darin, die Vergleichbarkeit zwischen der Verschmutzung durch Papierklebeband beziehungsweise Laub hinsichtlich der Langzeiteffekte bei Bremsvorgängen mit und ohne MTB zu untersuchen.
Die Abbildungen 6 und 7 zeigen jeweils zwei Versuchsreihen, bei denen Laub beziehungsweise Papierklebeband zur Präparation eines 500 m langen Abschnitts der Teststrecke verwendet wurde. Jede der Testsequenzen beginnt mit einer neuen Präparierung (Laub oder Papierklebeband) und besteht aus 12 Schnellbremsungen.

Während jedes einzelnen Bremsversuchs wurde Wasser vor dem in Fahrtrichtung führenden Radsatz aufgebracht. In der oberen Testsequenz der beiden Diagramme wurden die in den Drehgestellen Nr. 1 und 6 installierten MTB bei jedem zweiten Test aktiviert, um deren Einfluss auf die Kraftschlussbedingungen zu untersuchen. Die in der Grafik unten aufgezeigten Testsequenzen bestehen ausschließlich aus Versuchen ohne MTB-Einsatz.

Die Diagramme zeigen die relative Bremskraft beider Magnetschienenbremsen (vertikale rote Linien, skaliert an der rechten y-Achse) sowie zwei charakteristische Kraftschlusswerte für jeden der 16 Radsätze (skaliert an der linken y-Achse). Die relative MTB-Kraft bezieht sich auf die bei gleicher Geschwindigkeit auf trockener Schiene übertragbare Kraft. Der Kraftschluss jedes Radsatzes wird durch die Werte µpeak (blauer Stern) und µplateau (grüner Stern) charakterisiert. Dabei stellt µpeak den maximalen Kraftschlusswert dar, bevor der Radsatz zu gleiten beginnt. µplateau entspricht dem mittleren Kraftschluss bei Gleitgeschwindigkeiten über 10 km/h, berechnet als Integral über den gesamten Bremsweg. Die Kästchen und horizontalen Linien markieren die Standardabweichung bzw. die Mittelwerte von µpeak (magenta) und µplateau (cyan) für eine bestimmte Gruppe von Radsätzen. Bei inaktiver MTB umfasst diese Gruppe alle 16 Radsätze. Bei Versuchen mit aktiver MTB wurden die Standardabweichung und die Mittelwerte separat berechnet für jeweils die Radsätze 2 bis 11 (zwischen der ersten und zweiten MTB) sowie für die Radsätze 12 bis 16 (hinter der zweiten MTB).
Dieses Vorgehen erlaubt es, die durch die jeweilige MTB verursachte Steigerung des Kraftschlusses präzise darzustellen.

Sowohl die Versuchsreihen auf Laub als auch die auf Papierklebeband zeigen ein sehr vergleichbares Verhalten; dies gilt sowohl für den Reinigungseffekt mit und ohne MTB als auch für die übertragbare Bremskraft der MTB selbst.

In beiden Versuchsreihen (Laub/Papierklebeband) ohne MTB-Einsatz nimmt der Kraftschluss im Makro-Gleiten (µplateau) weder innerhalb eines einzelnen Bremsversuchs von Radsatz zu Radsatz noch von einem Test zum nächsten signifikant zu. Dennoch lässt sich selbst unter diesen extrem niedrigen Kraftschlussbedingungen ein geringfügiger Konditionierungseffekt beobachten, der innerhalb jedes Versuchs zu von Radsatz zu Radsatz steigenden Kraftschluss-Maxima führt. Das vor dem ersten Radsatz in Fahrtrichtung aufgebrachte Wasser setzt diesen Effekt beim jeweils nächsten Bremsversuch fast vollständig zurück, sodass nahezu wieder die Ausgangswerte des vorangegangenen Tests erreicht werden. Dementsprechend resultiert dieser Konditionierungseffekt primär aus der Verdrängung des Wassers durch die darüberrollenden Radsätze. Der Grund hierfür ist, dass die Zwischenschicht auf dem Schienenkopf (sowohl Laub als auch Papierklebeband) nur in Verbindung mit Wasser zu extrem niedrigen Kraftschlussbedingungen führt. Der Verschleißdieser Zwischenschicht selbst spielt eine untergeordnete Rolle, solange die MTB inaktiv bleibt, weshalb das Kraftschlussniveau in Gänze von Test zu Test nicht signifikant ansteigt.
Die Versuchsreihen mit MTB auf Laub und Papierklebeband belegen, dass in beiden Fällen die Radsätze hinter jeder aktiven MTB von deren Reinigungseffekt profitieren, da die MTB einen signifikanten Anteil des Wassers vom Schienenkopf verdrängt. Dies führt zu einer deutlichen Steigerung sowohl der Kraftschluss-Spitzenwerte als auch der übertragbaren Bremskraft der zweiten MTB. Durch das erneute Aufbringen von Wasser beim nächsten Bremsversuch sinkt das Kraftschlussniveau zwar wieder ab, doch im Vergleich zu den Versuchsreihen ohne MTB zeigt sich ein maßgeblicher, überlagerter Konditionierungseffekt, der den Kraftschluss (insbesondere µpeak, aber auch µplateau) von Test zu Test steigert. Dass dieser Effekt durch Wasser nicht mehr vollständig zurückgesetzt werden kann, lässt darauf schließen, dass er durch den Abtrag der Zwischenschicht infolge des MTB-Einsatzes verursacht wird.

Sowohl die Präparierung mit Laub als auch mit Papierklebeband erzeugt eine Zwischenschicht auf dem Schienenkopf, die sogenannte „Black Leaf Layer“. In Kombination mit Wasser führt diese Verunreinigung zu extrem niedrigen Kraftschlussbedingungen. Die Analyse der Messdaten erlaubt zwei zentrale Schlussfolgerungen hinsichtlich der Gleispräparierung und des MTB-Einsatzes: zunächst konnte gezeit werden, dass Laub und Papierklebeband zu vergleichbaren Kraftschlussbedingungen führen, die sich insbesondere hinsichtlich des Konditionierungseffekts bei mehreren Überfahrten identisch verhalten. Zweitens konnte abgeleitet werden, dass der Einsatz der MTB durch die Trocknung der Schiene unmittelbar zur Erhöhung des nutzbaren Kraftschlusses für den aktuellen Zug führt, durch den Abtrag der Zwischenschicht aber auch eine Langzeitwirkung erzielt.

Von strategischer Relevanz ist die Übereinstimmung der während der Testfahrten beobachteten Effekte des Gleitschutzsystems, des Sandeinsatzes und der Magnetschienenbremse mit zuvor erzielten Simulationsergebnissen. Die Reproduzierbarkeit dieser Effekte in Simulationsmodellen ist eine Voraussetzung für die Übertragung von Aspekten realer Fahrversuche auf Simulationsprüfstände. Angesichts der (sehr) begrenzten Verfügbarkeit geeigneter Teststrecken könnte dieser Ansatz genutzt werden, um das bewährte Verfahren der DB Systemtechnik zur Kombination von Ergebnissen aus Simulationsprüfständen mit Fahrversuchen für die Zulassung von Gleitschutzsystemen weiterzuentwickeln. Aufgrund der eingeschränkten Verfügbarkeit notwendiger Teststrecken und zur Reduzierung des Aufwands für Fahrzeugtests (Kosten, Zeit) ist die teilweise Durchführung der Tests mittels Simulationen eine naheliegende Wahl.

Schlussfolgerungen und nächste Schritte

Die jüngste Testreihe zeigte erneut vielversprechende Ergebnisse, welche die Funktionalität und Wirksamkeit kraftschlussbasierter Lösungen zur Unterstützung des zukünftigen ATO-Betriebs (unter ETCS) bestätigten sowie die Validierung von Gleitschutzsystemen mittels Prüfstandversuchen stützen.

Hinsichtlich der Unterstützung des automatisierten Betriebs konnte als erste Säule die Fähigkeit zur Kraftschlusskartierung mit bereits heute an Bord befindlicher Ausrüstung nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit und Zulassungsreife eines verbesserten adaptiven Gleitschutzalgorithmus (WSP) aufgezeigt. Weiterhin wurde demonstriert, dass ein intelligentes Kraftschlussmanagementsystem in der Lage ist, die vorherrschenden Rad-Schiene-Kraftschlussbedingungen effizient zu steigern und dabei so wenig Sand wie möglich zu verbrauchen. Im nächsten Schritt soll insbesondere die Funktionalität der Kraftschlusskartierung in einer noch realistischeren Umgebung während des regulären Betriebs getestet werden. Das Kraftschlussmanagement wird zudem um weitere Funktionen ergänzt.

Über diese Punkte hinaus werden sich die Entwicklungsanstrengungen verstärkt auf die Integration der getesteten Bausteine in ein harmonisiertes Gesamtsystem konzentrieren. Parallel dazu ist es notwendig, die Definition von Zertifizierungs- und Zulassungsanforderungen für solche kraftschlussbasierten Lösungen voranzutreiben, um deren Einsatz für zukünftige ATO/ETCS-Anwendungen zu ermöglichen.

Die Grundlagendaten zur Wirkung der MTB werden zukünftig in das Simulationsmodell der Gleitschutz-Prüfstandsumgebung integriert. Dies verbessert die Möglichkeit, weitere Tests von Fahrversuchen auf Simulationsprüfstände zu verlagern. Neben klassischen Gleitschutzprüfungen könnte diese Simulation auch für die Prüfung und Zertifizierung anderer Systeme genutzt werden, deren Leistung vom verfügbaren Kraftschluss beeinflusst wird, wie etwa die Verzögerungsregelung, ATO- oder ETCS-Systeme.

Funded by the European Union. Views and opinion expressed are however those of the author(s) only and do not necessarily reflect those of the European Union or the Europe’s Rail Joint Undertaking. Neither the European Union nor the granting authority can be held responsible for them. The project FP2-R2DATO is supported by the Europe’s Rail Joint Undertaking and its members.

Referenzen

[1] European Commission: Climate action and the Green Deal. Unknown date.
https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green
deal/climate-action-and-green-deal_en; 14.07.2025.
[2] European Environment Agency: Passenger transport activity. 10.10.2024.
https://www.eea.europa.eu/en/analysis/publications/sustainability-of-europes-mobility
systems/passenger-transport-activity; 14.07.2025.
[3] Umweltbundesamt. Schienennetz 2025/2030 – Ausbaukonzeption für einen
leistungsfähigen Schienengüterverkehr in Deutschland.
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/461/publikationen/4005.pd
f; 16.07.2025.
[4] TCRP Report 13: Rail Transit Capacity, 1996.
[5] Barron, Alex in: Dwell time reductions: Good design plus people management.
Railway Technology Magazine. Dec/Jan 2016,
https://www.railtechnologymagazine.com/Comment/dwell-time-reductions-good
design-plus-people-management; 14.07.2025.
[6] CBTC: Upgrading signal technology. https://www.mta.info/project/cbtc-signal
upgrades; 14.07.2025.
[7] Jähnichen, Dieter (Hrsg.): Handbuch Bremstechnik von Eisenbahnfahrzeugen; GRT,
2023.
[8] DIN EN 17997:2025: Railway applications – Braking – Definition of ETCS brake
curve parameters for Gamma trains.
[9] Braeseke, J./ Fischer, M./ Friesen, U./ Gräber, J. in: Fahrzeugseitige Optimierung
der Infrastrukturauslastung: RBD-Testfahren & Feldversuche. ZEVRail, Ausgabe
06/07 2023.
[10] ERTMS/ ETCS System Requirement Specification, Chapter 3, Principles, issue
3.6.0, SUBSET-026-3; 13.05.2016.
[11] DIN EN 15595:2018+A1:2023: Railway applications – Braking – Wheel slide
protection.
[12] Met Office. Rail Sector Services.
https://www.metoffice.gov.uk/services/transport/rail/index; 18.07.2015. [13] Fischer, M./Haselsteiner, K./Szekely, F./ Heinz, S./Kröger, F. in: Mehr Mobilität
auf der Schiene: Erhöhung der Transportkapazität durch Optimierung des
Kraftschlusses. ZEVRail. Ausgabe 10 2020.
[14] Fischer, M./Rasel, T./Ebner, B./Kröger, F./Heinz, S. in: Investigations of degraded
adhesion conditions and interrelated methods for improving raking performance using
the advanced TrainLab (aTL). EuroBrake 2023, Barcelona. 12. September 2023.
[15] Deutsche Bahn. Our future lab runs on rails.
https://nachhaltigkeit.deutschebahn.com/en/measures/advanced-trainlab; 14.07.2025.
[16] Meyer, R./Rasel, T. in: Höhere Zugtaktung: Neuartiger Gleitschutz für eine
verbesserte Auslastung der Schieneninfrastruktur. ZEVRail. Ausgabe 11/12 2020.

Authoren

Dr. Fischer, Marcus1, Kröger, Felix2, Rasel, Thomas1, Kreisel, Norman1,
Stumm, Sebastian