„Digitale Schiene“ im ÖPNV: Das „Digital Train Control System Frankfurt“ der VGF

Einführung

Der schienengebundene Öffentliche Personen-Nahverkehr (ÖPNV) in Frankfurt feierte am 19. Mai 2022 sein 150. Jubiläum. An diesem Tag 1872 fuhr die erste Pferdebahn in der Stadt. Aus heutiger Sicht vielleicht „putzig“, genau genommen eine unglaubliche Innovation, denn obwohl es seit 1840 Pferdeomnibusse gab, handelte es sich bei dem System um nichts anderes als einen Vorläufer innerstädtischer Massenverkehrsmittel.

Innovativ ging es in Frankfurt auch weiter: Im Februar 1884 folgte durch die Frankfurt-Offenbacher-Trambahn-Gesellschaft eine der weltweit ersten elektrischen Straßenbahn-Fahrten. 1904 hatte „die Elektrische“ dann ihre 1-PS-Kollegen abgelöst. 1968 wurde mit der Stadtbahn – in Frankfurt auch U-Bahn genannt, obwohl es genau genommen keine solche ist – ein ganz neuer Betriebszweig eröffnet. Und weiter ausgebaut, als in den 70er und 80er Jahren große Teile des innerstädtischen Straßenbahnnetzes als Stadtbahn unter die Erde verlegt („schienenfreie Innenstadt“) und U-Bahnmäßig betrieben wurden. Dabei wurde erstmals eine punktförmige Zugsicherungsausrüstung (PZB) auf induktiver Basis eingeführt, die bis heute in Frankfurt im Einsatz ist.

Neuer „T“-Wagen: Das Straßenbahnnetz wird im zweiten Schritt des Projekts eine digitale Zugsicherung erhalten

Entwicklung und Wachstum des öffentlichen Verkehrs in Frankfurt vollzogen sich über die Jahrzehnte vielleicht nicht in riesigen Schritten, aber sie waren konstant und deshalb wirkungsvoll. Zwischen 1997, dem ersten vollständigen Betriebsjahr der Verkehrsgesellschaft Frankfurt am Main (VGF) nach ihrer Gründung als GmbH im Jahr zuvor, und 2019 stiegen die Fahrgastzahlen in U- und Straßenbahnen von 136,9 Millionen Fahrgäste auf 202,5 Millionen. Danach verhagelte Corona die Bilanzen, im Jahr 2021  nutzen 106,05 Millionen Fahrgäste unsere U- und Straßenbahnen.

Während das System von der „Corona-Delle“ abgesehen immer stärker genutzt und belastet wird, droht gleichzeitig die eingesetzte Technik zu veralten. Oder es gibt keine Ersatzteile mehr, um sie instand und betriebsfähig zu halten. Ältere U- oder Straßenbahnen durch Fahrzeuge modernerer Generationen mit neuester Technik zu ersetzen, ist ein üblicher, wenn auch teurer Vorgang. „Veteranen“, wenn sie fahrfähig gehalten wurden, kommen heute fast nur noch zu besonderen Anlässen – zum Beispiel beim Jubiläum „150 Jahre Straßenbahn in Frankfurt“ am 19. Mai 2022 – zum Einsatz. Das Veralten betrifft aber auch technische Systeme der ortsfesten Infrastruktur, weshalb die VGF auch über die Zukunft der Zugsicherungstechnik der Stadtbahn nachdenken und eine praxistaugliche Lösung finden mußte.

Ende 2017 gründete die VGF eine interne Arbeitsgruppe, um das mögliche Vorgehen zu erfassen. Die bis dahin bevorzugte Lösung – Ersatz der alten PZB durch ein neues punktförmiges System – wurde verworfen. Die VGF gewann stattdessen einen ehemaligen Betriebsleiter als Berater, der die Perspektive des Vorhabens erweiterte. So wurde klar, dass eine VGF-Lösung für mindestens die nächsten 30 Jahre zukunftssicher sein musste. Hierbei muß die VGF folgende Punkte beachten:

• möglichst geringe Investitions- und Lebensdauerkosten
• Beschaffung einer praxiserprobten und zukunftssicheren Technologie
• Sicherstellung von Kapazitätsreserven für die Zukunft
• wenn möglich Nutzung von Innovationspotenzialen.

„A“-Strecke: Auch oberirdische Abschnitte werden an die digitale Zugsicherung angeschlossen bzw. auf sie umgestellt

Der Fachbereich „Einkauf und Materialwirtschaft“ der VGF leitete im Mai 2018 eine Marktsondierung ein, um das intern gesteckte Ziel mit realistischen Optionen am Markt abzugleichen. Zu diesem Zweck lud die VGF Vertreter verschiedener Signaltechnik-Hersteller ein, um die grundsätzlichen technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen des angestrebten Investitions-Programms abzustimmen.

„Communication Based Train Control”-Technologie

Durch die Sichtung des aktuellen Stands der Technik wurde die VGF auf die sogenannte  „Communication Based Train Control (CBTC)“-Technologie aufmerksam, die die Zugsicherung über Funkverbindung zwischen Fahrzeug und Stellwerk herstellt und über folgende Eigenschaften verfügt:

• Moving-Block-Technologie („wandernder Raumabstand“, die Züge fahren im Bremswegabstand, statt in Blockabschnitten) mit hohem Kapazitätsdurchsatz auf der Strecke durch kürzere Zugfolgezeiten (bis zu 20% Mehr-Kapazität auf ein und derselben Strecke im Vergleich zur PZB)
• automatisierte Betriebsformen (ATO) vom teil- bis zu voll automatisierten Fahren mit Vorteilen für Fahrplanstabilität, Energieverbrauch (Einsparung von 10 – 15%) und gleichmässigerer Fahrweise
• Nutzung des international erprobten Stands der Technik mit hoher Zukunftssicherheit
• gute Installations-Möglichkeit in der bei VGF gegebenen „Brownfield Application“
• zusätzlich Innovations-Potential zur Nutzung an der Oberfläche (Lichtsignalbeeinflussung oder für virtuelle Fahrsperren).

Ein Nachteil dieser Technologie: Die auf dem Markt verfügbaren Systeme sind alle an ihre Hersteller gebunden. Das ließ ahnen, dass und warum die Ausschreibung eines CBTC-Systems sehr komplex werden würde.

Um mehr über die bei VGF bisher noch nicht eingesetzte Technologie zu erfahren und eine klare Entscheidungsgrundlage zu bekommen, beschritt die VGF neue Wege:

• der zuständige Abteilungsleiter der Leit- und Sicherungstechnik ging 2019 auf Dienstreise nach Nordamerika, um dort eingesetzte die „CBTC“-Systeme (in San Francisco, Ottawa und Toronto) „live“ zu erleben. Im August folgte eine Dienstreise einer VGF-Fachgruppe nach Kopenhagen
• externe Berater sollten dabei helfen, schnell zusätzliches Fachwissen im Unternehmen aufzubauen.

Das Ergebnis: eine Entscheidung für die CBTC-Technologie. Im nächsten Schritt mußte die VGF die betrieblich und technisch notwendigen Funktionen definieren und die finanzielle Grundlage einer möglichen Beschaffung schaffen.

Was ist „CBTC“?

„CBTC”-Systeme sind, verkürzt, digitale Zugsicherungen. Dahinter verbirgt sich ein komplexes System von digitalen Signalen und Meldungen, die Fahrzeuge und Strecke permanent miteinander in Echtzeit austauschen. Verschiedene Komponenten auf der Strecke und in den Fahrzeugen machen diese funkbasierte, bi-direktionale Datenkommunikation zwischen Zug und Infrastruktur möglich, bei der Fahrweg-Informationen über Funksystem auf die Züge übertragen werden. Ein kurzer Film, den die VGF produziert hat, erklärt anschaulich das komplexe System und steht auf der Innovations-Seite des Unternehmens  zur Verfügung.

 Vorteile digitaler Zugsicherung

Diese Form der Datenübertragung ermöglicht den Verzicht auf die bisher üblichen Signale, was Instandhaltungskosten reduziert. Darüber hinaus kann die VGF mit der digitalen Zugsicherung die Leistungsfähigkeit ihrer (bestehenden) Strecken erhöhen, insbesondere in den Tunneln.

Mit Blick auf die Ausweitung des Angebots – mehr Züge und kürzere Takte, ohne die einer Mobilitätswende inklusive Umstieg vom Auto auf öffentliche Verkehrsmittel die Basis fehlen würde – ist die Leistungsfähigkeit der zentrale Aspekt der Modernisierung. Denn ein „CBTC“-System ermöglicht das Fahren im oben genannten „wandernden Raumabstand“, wodurch die Züge im Bremswegabstand fahren, statt wie derzeit in Blockabschnitten. Damit sind kürzere Zugfolgen möglich, wodurch die VGF die Kapazität zum Beispiel auf der „A-Strecke“, wo die Linien U1, U2, U3 und U8 verkehren, um bis zu 25 Prozent steigern kann – ohne Aus- oder Neubau von Gleisen und Tunneln, der nicht nur teuer ist und in vielen Fällen auf Widerstände trifft, sondern auch viel Zeit in Anspruch nimmt.

„Moving Block“: die Kapazität bestehender Strecken wird deutlich erhöht

Die moderne und leistungsfähige Zugsicherungstechnik sorgt aber nicht nur für mehr Züge auf der Strecke, sondern auch für eine größere Taktgenauigkeit und -verläßlichkeit. Sie ermöglicht energieeffizienteres Fahren – Einsparungen von bis zu 20 Prozent sind möglich – und einen verbesserten Passagierkomfort durch sanfteres Beschleunigen und Bremsen. Das verringert außerdem den Verschleiß von Fahrzeugen und Schienen.

Zusammenfassend läßt sich sagen: Mit einer „CBTC”-Zugsicherung werden Kapazität und Attraktivität des U-Bahn-Systems gesteigert, womit der Anteil des schienengebundenen ÖPNVs am städtischen Verkehr vergrößert werden soll. Das wird unmittelbar zu einer Verringerung von Schadstoffemissionen beitragen und damit für sauberere Luft in der Stadt sorgen.

Als hilfreich bei der Einführung erweist sich die anstehende Novellierung des Gemeindeverkehrs-Finanzierungsgesetzes (GVFG). Sie sieht vor, dass erstmals auch Ersatzinvestitionen förderfähig werden. Damit verbunden ist eine beschleunigte Umsetzung von Vorhaben. Denn: Bis 2031, so die Planung, soll das VGF-Netz auf diese digitale Zugsicherung umgerüstet werden, zunächst alle neun Linien des U-Bahn-Systems, dann die zehn Straßenbahn-Linien. Den Anfang macht die „B-Strecke“ mit den Linien U4 und U5, inklusive der U5-Verlängerung ins Europaviertel, die – nach derzeitigem Plan – 2025 mit „CBTC“-Zugsicherung in Betrieb gehen soll.

Von „CBTC“ zu „DTC“

Die VGF bezeichnet ihr „CBTC” als „Digital Train Control (DTC) System Frankfurt“. Im Rahmen der Digitalisierung verschiedener Unternehmens- und Tätigkeitsfelder stellte die VGF „DTC“ im nächsten Schritt im Aufsichtsrat vor.

Dass das Frankfurter „DTC“ angesichts der Novellierung des GVFG unter den Investitionsvorhaben des Unternehmens eine herausragende Rolle spielen würde, war aus VGF-Sicht klar. Der Förderantrag der VGF war einer der ersten, der für ein Ersatzinvestitions-Projekt mit einer standardisierten Bewertung beurteilt wurde – für die Stadtbahn-Teilstrecke „B“ (befahren von den Linien U4 und U5) übrigens mit einem eindrucksvollen Nutzen- / Kosten-Faktor (NKI) von 3,7. Alleine mit dieser Kennzahl wurde deutlich, welchen Nutzen ein „CBTC“-System für den Stadtverkehr haben kann.

Parallel zur „klassischen ‚CBTC‘-Metro-Technologie“ hat die VGF immer auch den Einsatz an der Oberfläche in ihre Überlegungen einbezogen. Für Stadtbahn-Systeme ist die Einbindung der Straßenverkehrstechnik essentiell. Die durch das Fahren im „Moving-Block“ im Innenstadtbereich (Tunnel) möglichen kürzeren Zugfolgen – bzw. hieraus resultierende Kapazitätsgewinne – sind nur dann zu realisieren, wenn der Zufluss in die bzw. der Abfluss aus den Tunnelstrecken ebenfalls verbessert wird. Und diese verlaufen im Frankfurter System auf oberirdischen Strecken. Die VGF will weiter gehen und die Oberflächenverkehre Stadtbahn, Straßenbahn und Individualverkehr konsequent und intelligent miteinander vernetzen. Ziel ist die Einführung einer integrierten Verkehrslenkung im zentralen Verkehrsrechner der Stadt Frankfurt. Hierzu wurde das Projekt „Frankfurt MIND (Multimodal, Intelligent, Nachhaltig, Digital)“ ins Leben gerufen, das schon im Dezember 2019 mit 12,19 Millionen € vom Bund gefördert wurde.

Konkret: Das Frankfurter „DTC“ besteht aus den technischen Komponenten „CBTC“ und  „C-ITS“ („Cooperative Intelligent Transport Systems“). Erst durch Vernetzung von schienengebundenem ÖPNV und Individualverkehr entfaltet die „CBTC“-Technologie bei Stadtbahn-Systemen, die zwar im Tunnel kreuzungsfrei fahren, an der Oberfläche aber verschiedene Schnittstellen mit dem IV haben, ihre volle Innovationskraft.

„C-ITS“ („Cooperative Intelligent Transport Systems“): Vernetzung von schienengebundenem ÖPNV und Individualverkehr, um volle Wirkungskraft der „CBTC“-Technik zu entfalten

 Projektstand 1. Halbjahr 2022 

Anfang  2021 ging das Projekt in eine entscheidende Phase: Die europaweite Ausschreibung für ein „CBTC-System“ startete. Die Ausschreibung umfaßte:

• Ausrüstung aller unterirdischen Stadtbahn-Linienäste („A“, „B“, „C“) unterirdisch mit „CBTC“-Vollausrüstung (Ersatz der Bestands-PZB-Technik) in „Grade of Automation (GOA) 2“-Technologie inkl. Option für Ausbau von Teilstrecken auf GOA 4
• Ausrüstung aller oberirdischen Stadtbahn-Linienäste („A“, „B“, „C“) und der Straßenbahn (in Frankfurt immer an der Oberfläche) mit einem technischen System, das die bisher verwendete Lichtsignalbeeinflussung ablöst („GOA 0“) und Möglichkeit der Neu-Implementation von „GOA 1“-Funktionen über im System implementierte „virtuelle PZB-Magnete“
• Ausrüstung der VGF-Schienenfahrzeugflotte (Stadt- und Straßenbahnen, zusammen im Moment rund 400 Fahrzeuge, durch Neubeschaffung von „T“-Straßenbahnen und „U5″-Mittelteilen wird der Fuhrpark in den kommenden Jahren wachsen)
• Ablösung der Spurplan-Stellwerke, die noch in Betrieb sind, auf elektronische Stellwerke (ESTW)
• bei Bedarf Um- oder Nachrüstung von Leitstelle, Leittechnik und Stellwerken
• Systemverfügbarkeitsgarantie über 30 Jahre
• Verfügbarkeits-Vereinbarung
• Vereinbarungen zu Systembetreuung, Ersatzteilen und möglichen Netzerweiterungen.

Schon bei der Erstellung der Ausschreibungsunterlagen wurde deutlich, dass sich die VGF an vielen Stellen technisches Neuland betrat. So mussten z.B. Fragen beantwortet bzw. Aspekte im Rahmen der Ausschreibung definiert werden:

• Welche Bedienhandlungen muss der Fahrer durchführen?
• Wie erfolgt der Wechsel vom oberirdischen („GOA 0“) auf unterirdischen („GOA 2“) Betrieb?
• Ist eine fahrerlose Wende (eigentlich „GOA 4“) am Ende der Linien im regulären „GOA 2“-Betrieb möglich?

Verschiedene Stufen des „Grade of Automation“ (GoA)

Als vorteilhaft für die VGF erwies sich, dass ein vollautomatisiertes „GOA 4-System“ in Frankfurt schon seit 1994 in Betrieb ist: das Personentransportsystem (PTS) am Frankfurter Flughafen, kurz auch „Peoplemover“ genannt. Dank enger Kontakte zum Betreiber Fraport konnte die VGF sowohl von den Betriebserfahrungen des PTS als auch von den dort ebenfalls existierenden Planungen zur Umrüstung auf ein „CBTC“-System profitieren.

Im Dezember 2021 erreichte das Vorhaben dann zwei Meilensteine: zum einen die Förderzusage von Bund und Land über zusammen 95,27 Millionen €, zum anderen die Vergabe des wichtigen Auftrags an Siemens Mobility als Gewinner der europaweiten Ausschreibung.

Ausblick

Damit kann die VGF den engen Terminplan einhalten, der durch die geplante Eröffnung der U5-Verlängerung ins Europaviertel im Jahre 2025 vorgegeben  ist. Diese Strecke – sie gehört zur Grundstrecke „B“ – ist zur Zeit im Bau, die Tunnelröhren zwischen dem Europaviertel und den Anschlussstutzen der Bestandstrecke am Platz der Republik wurden von einer Tunnelvortriebsmaschine im Lauf des Jahres 2021 fertig gestellt. Weitere Projektschritte:

• 2023 erste Fahrzeug-Umrüstungen und Tests auf dem Rundkurs unserer Stadtbahn-Zentralwerkstatt
• 2025 Abschluss Umrüstung „B“-Strecke
• 2028 Abschluss Umrüstung „A“-Strecke
• 2031 Abschluss Umrüstung „C“-Strecke und Straßenbahn

Fazit

Das „DTC“-Projekt war und ist in vielerlei Hinsicht sowohl extreme Herausforderung, wie auch eine große Entwicklungschance – für die VGF und die Stadt Frankfurt.

Zum einen kann die VGF die Leit- und Sicherungstechnik bis in die 2050er Jahre zukunftssicher erneuern. Darüber hinaus wird es über das parallele  MIND-Projekt und das Schwesterprojekt Frankfurt MIND+ beim Straßenverkehrsamt möglich sein, die gerade erst entstehenden Möglichkeiten in der Vernetzung des Oberflächenverkehrs mit „C-IST“- Komponenten in Schienenbahnen, Autos und Straßen-Infrastruktur auszuschöpfen. Dies hat in Bezug auf das automatisierte oder autonome Fahren ein großes Entwicklungspotential für VGF und Stadt Frankfurt. So könnte die vernetzte Mobilität in Frankfurt sehr schnell zur Realität werden.

Mulitmodales Reallabor auf dem oberirdischen Abschnitt der Linie U5. Der neue und gerade in Bau befindliche U5-Abschnitt (HBF-Wohnpark) soll 2025 mit „DTC“-Technik in Betrieb genommen werden

Darüber hinaus hat „DTC“ auch Spuren in der VGF hinterlassen: Das „DTC“-Projektteam war multifunktional über verschiedene Fachbereiche des Unternehmens (Einkauf, Recht, Technik und Betrieb) zusammen gesetzt und hat in kurzer Zeit eine technische Revolution möglich gemacht. Das in diesem Prozess gesammelte Wissen wird nicht “gebunkert“, sondern über Workshops in das Unternehmen und VDV-Arbeitsgruppen weitergegeben.

Das „DTC“-Projekt zeigt klar, wie wichtig und chancenreich innovative Technik und Digitalisierung sind. Den Unterschied machen aber immer die Menschen, die damit umgehen. Ohne die gemeinsame Teamleistung von Bund, Land Hessen, VGF-Projektteam, externen Beratern und Industrie wäre der erreichte Erfolg nicht möglich gewesen.