Bahntechnik

Sicherungsanlagen (Stellwerke)

Grundsatz

Die Sicherungsanlage (das Stellwerk) reagiert in gefährlichen Situationen (Fehlbedienungen, Fehlverhalten des Lokführers, technische Ausfälle) immer auf die "sichere Seite".

Bei der Eisenbahn ist wegen der Spurführung und der konsequenten Kontrolle aller Fahrten durch Signale mit erzwungenem Sicherheitsabstand das Anhalten bzw. die Notbremsung im Gegensatz zu Strassenfahrzeugen (Fahrt auf Sicht mit Gefahr von Auffahrkollisionen, Schleudergefahr!) und Flugzeugen ("Anhalten" = Absturz!) - ausgenommen bei Brand im Tunnel - immer eine sichere Massnahme!

Die ganze Eisenbahnsicherungstechnik beruht auf diesem einfachen Grundsatz. Die Umsetzung des Grundsatzes ist allerdings alles andere als einfach und führt zu hoch komplexen technischen Lösungen, die nur von wenigen spezialisierten Fachleuten mit langjähriger Erfahrung wirklich im Detail verstanden werden. Die Entwicklung, Prüfung und Zulassung eines neuen Stellwerktyps, aber auch schon der Bau einer konkreten Stellwerkanlage ist damit sehr aufwändig. Das erreichte Sicherheitsniveau bei den europäischen Eisenbahnen zeigt jedoch, dass dieser Aufwand gerechtfertigt ist!

Risiken und technische Massnahmen

Die nachfolgenden Angaben beziehen sich auf allgemeine Grundsätze. Da die Eisenbahngesetzgebung national ist, können sich von Land zu Land kleine Abweichungen ergeben. Für Nebenbahnen mit geringerem Risiko (weniger dichter Fahrplan, kleinere Geschwindigkeit usw.) werden z.T. vereinfachte Regeln angewendet. Ausserhalb Europas gibt es allerdings immer noch viele Fernbahnen, die sicherungstechnisch wesentlich einfacher ausgerüstet sind.

Schienenbrüche, Erdrutsche, umgestürzte Bäume und dergleichen können beim heutigen Stand der Technik noch nicht automatisch erfasst werden. Die Qualität der Geleise wird aber durch erfahrene Streckenwärter garantiert, die jedes Gleis regelmässig abschreiten und dessen Zustand optisch prüfen. Zudem wird jede Strecke mindestens einmal jährlich mit speziellen Messwagen abgefahren, die den Abstand zwischen den Geleisen, die Höhe der Schienen und die Laufruhe exakt aufzeichnen. Aufgrund dieser Messfahrten wird das Erneuerungsprogramm für Schotterbett, Schienen und Schwellen jährlich festgelegt.

Vier Stellwerk - Generationen
und ihre Zusatzeinrichtungen

1. Mechanische Stellwerke

Als die ersten Stellwerke entwickelt wurden, steckte die Elektrotechnik noch in den Kinderschuhen. Deshalb mussten zunächst mechanische Lösungen gesucht werden. Weichen und Signale eines kleinen Bahnhofs oder einer Seite eines grossen Bahnhofs wurden über Gestänge oder Drahtzüge mit Stellhebeln in einem Stellwerk verbunden. Das allein wäre aber noch keine Sicherungsanlage, sondern bloss eine mechanische Urform des Lichtschalters!

Zur Sicherungsanlage wurden die zentral zusammengefassten Stellhebel, indem ein so genanntes "Verschluss - Lineal" aus massivem Metall hinter ihnen angeordnet und so mit Kerben versehen wurde, dass die dazupassenden Nocken an den Stellhebeln nur unter bestimmten Bedingungen hineinpassten. Zudem wurden Fahrstrassenhebel eingeführt. Der Stellwerkwärter musste nun nacheinander

• die Weichen mittels der Weichenhebel in die richtige Lage bringen
• den Fahrstrassenhebel einstellen
  dadurch wurden im Zusammenspiel der Nocken und des Verschluss - Lineals die Weichenhebel der in der Fahrstrasse liegenden Weichen und der Flankenschutzweichen "verschlossen" d.h. in der richtigen Stellung festgehalten
• den Signalhebel in Fahrtstellung bringen
  was wiederum durch Nocken und Verschluss - Lineal erst zugelassen wurde, wenn die Weichen in einer zum Signal passenden Fahrstrasse verschlossen waren
  mit dem Signalhebel wiederum wurde der Fahrstrassenhebel festgehalten

• Zurücknehmen des Signalhebels
  damit wurde der Fahrstrassenhebel freigegeben
• Zurücknehmen des Fahrstrassenhebels
  damit wurden die Weichenhebel freigegeben

Wie man leicht sieht, waren damit die grundlegenden Funktionen einer Sicherungsanlage bereits im 19. Jahrhundert erfüllt. Einzig die automatische Gleisfreimeldung, die Zugsicherung und die Verbindung zum Nachbar - Stellwerk fehlten noch.

Das erste Stellwerk in der Schweiz wurde 1880 in Bern in Betrieb genommen. Aufgrund der guten Erfahrungen in Bern rüstete die Gotthardbahn noch vor der Eröffnung mehrere Stationen mit Stellwerken aus und hatte bereits 1884 die Weichen- und Signalbedienung auf 20 ihrer 41 Stationen zentralisiert.

Der Streckenblock

Vor der Erfindung des Streckenblocks mussten die Züge zwischen den Stationen zunächst stur nach Fahrplan verkehren. Mit der Einführung der Morsetelegraphie (1840 erfunden) konnten die Stationen sich über Abweichungen vom Fahrplan verständigen. Durch das Telefon (1876 erfunden, ab etwa 1880 im Bahnbetrieb genutzt) wurde die Kommunikation vereinfacht, aber die Möglichkeit von Missverständnissen nicht ausgeschlossen. Mit der Erfindung von elektrisch betriebenen Blockapparaten wurde die Zulassung einer Fahrstrasse auf die Strecke hinaus von der Zustimmung der Gegenstation abhängig. Das Grundprinzip ist bis heute gleich geblieben: Der Blockapparat besteht auf jeder Seite der Strecke pro Gleis aus je einem "Anfangsfeld" und einem "Endfeld", die unmanipulierbar festhalten, dass ein Zug von der Station auf die Strecke ausgefahren ist und in welcher Richtung. Der Blockapparat kann erst in die Grundstellung zurückkehren, wenn die Gegenstation die Ankunft des Zuges bestätigt hat.

2. Elektromechanische Stellwerke (Schalterwerke)

Die raschen Fortschritte der Elektrotechnik brachten in den Zwischenkriegsjahren die Einführung von Lichtsignalen, von elektrisch betriebenen Weichenmotoren und Gleisfreimeldeeinrichtungen sowie von elektromechanischen Stellwerken, bei denen die Stellwerkhebel durch handliche Schalter und die Verschluss - Lineale durch elektromechanische Sperrpendel ersetzt wurden.

3. Gleisbildstellwerke und Spurplanstellwerke

In den Schalterwerken bewährte sich das Relais als Bauteil der Stellwerktechnik. In den Nachkriegsjahren fand man deshalb den Mut, in der nächsten Stellwerkgeneration auf herkömmliche mechanische Verschlüsse, die von Menschenhand in die gewünschte Lage gebracht werden, ganz zu verzichten. Stattdessen wurden sogenannte Stütz - Relais konstruiert. Diese bestehen eigentlich aus zwei miteinander gekoppelten Relais, bei denen das erste sich beim Anziehen auf eine kleine mechanische Klappe abstützt und somit auch bei Stromausfall in seiner Lage verbleibt, während das zweite Relais beim Anziehen die ganze Kombination aus dem abgestützten Zustand heraushebt und in die Grundstellung zurückfallen lässt.

Damit wurde es möglich, das Einstellen der einzelnen Elemente (Weichen, Fahrstrassen und Signale) zusammenzufassen und für den Bediener auf das Grundsätzliche, nämlich die Fahrstrasse vom Startsignal zum Zielsignal zu reduzieren. Den Rest der Arbeit erledigt das Stellwerk selbst!

Das Stellwerk wird an Pulten bedient, auf denen die Gleisanlage geografisch korrekt aufgemalt ist (daher der Name Gleisbild - Stellwerk) und allen wesentlichen Elementen Tasten zur Bedienung und Lämpchen zur Anzeige des Zustandes zugeordnet sind (im Bild: gelb = eingestellte Fahrstrasse, rot = vom Zug belegte Gleisabschnitte, Signal D zeigt Fahrt).

Ein derart komplexes Gebilde aus mehreren hundert Relais jedesmal neu zu erfinden und auf der Station von Grund auf aufzubauen, wäre allerdings nicht nur viel zu aufwändig gewesen, sondern hätte auch viel zu viele Möglichkeiten für Fehler bei der Planung und beim Bau eröffnet. Deshalb werden die Relais in Baugruppen zusammengefasst, die eine bestimmte Teilfunktion erfüllen. So gibt es Baugruppen zur Steuerung und Überwachung von Weichen, von Hauptsignalen, von Vorsignalen und von Zwergsignalen (Rangiersignalen) sowie für die Streckenblöcke. Die Baugruppen wurden industriell gefertigt und auch mit Prüfautomaten auf fehlerfreie Funktion geprüft. Was blieb, war die Verbindung der einzelnen Baugruppen untereinander mit einer grossen Anzahl von einzelnen Drähten.

Um auch hier gleichzeitig die Herstellung zu rationalisieren und die Fehlerrate zu senken, wurde in den späten 1950'er Jahren das Spurplanprinzip erfunden. Die Abläufe, die zum Einstellen, Sichern und Auflösen einer Fahrstrasse nötig sind sowie die korrekte Geschwindigkeit, die an einem Signal angezeigt werden darf, werden über sogenannte Spurkabel übertragen, die von einer Baugruppe zur nächsten führen und steckbar sind. Kabel mit Steckern lassen sich wiederum industriell fertigen und prüfen und sind wesentlich einfacher zu montieren als die entsprechende Anzahl einzelner Drähte.

Die Spurkabel bilden im Stellwerk gewissermassen noch einmal die Gleisananlage ab, d.h. eine Weichenbaugruppe hat drei Anschlüsse (je einen für Spitze, linken und rechten Schenkel), ein Signal zwei. Durch die konsequente Systematisierung der Abläufe über die Spurkabel wurde die Verdrahtung auch übersichtlicher und die Funktionalität besser projektierbar und prüfbar. Es genügte nun, bei jeder Weichen - Baugruppe für jeden Schenkel eine Drahtbrücke für die zulässige Maximalgeschwindigkeit einzulegen und schon wurde über das Spurkabel je nach den beteiligten Weichen und ihrer Lage die richtige zulässige Geschwindigkeit ermittelt.

Selbstverständlich sitzt der Teufel auch hier im Detail und vor allem in den örtlichen Spezialitäten, die bei der Erfindung des Prinzips nicht bedacht wurden und so doch wieder durch zusätzliche Relais - Schaltungen ausserhalb des Spurplanprinzips berücksichtigt werden müssen. Insgesamt hat sich die Spurplantechnik aber sehr bewährt und stellt bis heute das Rückgrat der Sicherungstechnik dar, während die letzten in Betrieb stehenden mechanischen Stellwerke und Schalterwerke zu Exoten bzw. Industriedenkmälern wurden.

Erst mit der Entwicklung der Gleisbildstellwerke wurde es überhaupt möglich, ganze Stationen fernzusteuern. Hätte es bei den mechanischen Stellwerken und Schalterwerken Roboter und Videokameras zur Fernbedienung gebraucht (der Vorschlag wurde übrigens noch in den 1990'er Jahren von einem privaten Ingenieurbüro ernsthaft zur Diskussion gestellt!), konnte man die Gleisbildstellwerke nicht nur durch unmittelbaren Tastendruck sondern auch durch die Fernübertragung der Steuerströme bedienen, die die einzelnen Relais ansteuern. Die Fernsteuerung ist in der Schweiz heute bei den Schweizerischen Bundesbahnen ebenso wie bei den Nebenbahnen die Regelbetriebsart für Relais - Stellwerke.

4. Elektronische Stellwerke

Die ältesten Computer mechanischer Bauart sind zwar älter als die Eisenbahn, aber so richtig brauchbar wurden Computer doch erst, als die Elektronik den "Quantensprung" von der Radioröhre zum Transistor, zum Integrierten Schaltkreis und schliesslich zum Mikroprozessor schaffte. Einfache Computer auf Transistorbasis wurden im Bereich der Fernübertragung und der Zugnummernmeldung ab etwa 1960 eingesetzt, Minicomputer ab etwa 1980 zur Bedienung von Stellwerken über Tastaturen.

Eigentliche Stellwerke auf der Basis von Mikroprozessoren wurden erst in den 1980'er Jahren entwickelt. Die grundlegenden bewährten Ideen der Spurplantechnik wurden zunächst übernommen und in Software "übersetzt". Die Verschlüsse der Weichen und Fahrstrassen existieren heute nur noch im Arbeitsspeicher der Mikroprozessoren, nicht mehr in mechanisch abgestützten Relais. Anfänglich löste der Verzicht auf anschaulich sichtbare Verschlüsse bei manchen gestandenen Fachleuten Skepsis und Misstrauen aus.

Weil zufälligen Verfälschungen des Speicherinhalts bei Computern trotz der sehr hohen Zuverlässigkeit der Halbleiter- und Mikroprozessortechnik nicht hundertprozentig ausgeschlossen werden kann, müssen sicherheitsrelevante Vorgänge und Informationen immer von zwei voneinander unabhängigen Rechnersystemen bearbeitet bzw. gespeichert werden und Fahrstrasse darf nur eingestellt bzw. aufgelöst werden, wenn beide Rechner zum gleichen Ergebnis gelangen.

Die grössere Flexibilität der Software gegenüber den Relais-Schaltungen erlaubt es, auf einige sehr seltene Störungen gezielter zu reagieren. Was vordergründig als Erhöhung der Verfügbarkeit daher kommt ist auch ein Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit: Kann der Betrieb im Störungsfall mit der Unterstützung des Stellwerks weiter geführt werden, muss das Personal weniger Verantwortung übernehmen. Gerade unter Stress ist das nicht zu unterschätzen.

Nach mehr als fünfzehn Jahren Betriebserfahrung kann guten Gewissens gesagt werden, dass das bereits sehr hohe Sicherheitsniveau der Spurplanstellwerke gehalten bzw. dank der Zusatzfunktionen nochmals gesteigert werden konnte. Auch die Verfügbarkeit der Rechner ist trotz Dauerbetrieb rund um die Uhr (welcher PC zuhause muss dies schon leisten?) etwas grösser als bei den Relais-Stellwerken.

Angesichts der immer stärkeren Auslastung des Schienennetzes gewinnt die Änderungsfreundlichkeit an Bedeutung. Diesbezüglich muss man zwei verschiedene Aspekte klar auseinander halten:

• Eine kleine, klar eingrenzbare Änderung ist unter professionellen Bedingungen und bei gleicher Qualität (Sicherheit) in einem Relais-Stellwerk einfacher und schneller realisierbar als in einem Rechnersystem - entgegen aller Vorurteile, die sich seit Jahrzehnten hartnäckig halten.
  Das hat damit zu tun, dass zwischen einem kleinen Computerprogramm für den Hausgebrauch, bei dem man eben so rasch in einer halben Minute drei Bits ändert oder den Einstellungen auf der PC-Bedienoberfläche, die mit drei Mausklicks zu verändern sind und einer hoch komplexen professionellen Software mit sicherheitsgeprüften Anlagedaten Welten liegen.

• Umgekehrt müssen bei grösseren Änderungen in einem Relais-Stellwerk Tausende von Drahtverbindungen wegfallen bzw. neu erstellt werden. Dies ist in den wenigen Stunden Zugspause, die an einem Wochenende bestenfalls noch zur Verfügung stehen, kaum mehr realisierbar.
  Bei elektronischen Stellwerken kann dagegen auch eine grössere Änderung im Labor vorbereitet und intensiv getestet werden. Das Einspielen der neuen Anlagedaten auf dem Rechnerstellwerk und der Neustart sind dann unabhängig vom Umfang der Änderungen in etwa einer Stunde zu erledigen.

Fragezeichen bleiben allerdings bei der Lebensdauer: Bei Relais-Stellwerken sind rund 60 Jahre durchaus realistisch - wenn man nicht zu viel an der Anlage verändern muss. Dieses Alter wird zumindest der Rechnerkern eines elektronischen Stellwerks auch nach den optimistischsten Schätzungen nicht annähernd erreichen.

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