Bahnübergänge: Wie automatische Schranken erkennen, dass ein Zug kommt

Wo eine Straße die Bahnstrecke auf gleicher Ebene kreuzt, muss der Verkehr angehalten werden, bevor der Zug kommt. Bei einem automatischen Übergang macht das niemand mit dem Auge. Der Zug meldet sich über das Gleis, das Gleis meldet es an die Technik, und Lichter und Schranken arbeiten in fester Reihenfolge. Jeder Schritt nutzt eine einfache physikalische Idee, und die Platzierung des Detektors ergibt sich aus einer einzigen Multiplikation.

Den Zug erkennen

Es gibt drei übliche Methoden, festzustellen, dass ein Zug auf einem Streckenabschnitt ist.

Gleisstromkreise. Eine Niederspannung wird in eine Schiene eingespeist, läuft entlang, wechselt zur anderen Schiene und fließt über ein Relais zurück. Solange die Strecke frei ist, hält der Strom das Relais angezogen. Kommt ein Zug, verbinden seine Stahlräder und Achsen die beiden Schienen und leiten den Strom vom Relais weg, das abfällt. Dieselbe Idee hält Züge auf der Hauptstrecke voneinander getrennt, wie beschrieben in wie Bahnsignale Züge auf Abstand halten. A relay that has dropped means "occupied", and the crossing equipment reads that as a train in the section.

Achszähler. Statt die Räder als elektrischen Kurzschluss zu nutzen, zählt ein Sensor an jedem Ende eines Abschnitts die Achsen, die hineinfahren, und die, die herauskommen. Fahren 12 Achsen hinein und 12 heraus, ist der Abschnitt frei. Stimmen die Zahlen nicht überein, gilt er als belegt. Achszähler sind nicht auf eine saubere elektrische Verbindung über die Schienen angewiesen, daher verwirren Rost oder Laub auf der Schienenoberseite sie nicht.

Radkontakte. Ein Radkontakt ist eine Vorrichtung an der Seite der Schiene, die beim Überfahren eines Spurkranzes betätigt oder erfasst wird. Jedes vorbeifahrende Rad erzeugt einen Impuls. Radkontakte sind einfach und zählen ebenfalls, daher kommen sie in älteren Anlagen und als Ergänzung zu den beiden anderen vor.

Wo der Detektor sitzt

Einen Zug direkt am Übergang zu erkennen, wäre nutzlos. Die Straße braucht zuerst Zeit: Lichter blinken, Glocken läuten, dann senken sich die Schranken, und Fahrer müssen anhalten oder den Übergang räumen. Der Detektor sitzt deshalb ein Stück weiter oben an der Strecke, am Auslösepunkt. When a train reaches it, the sequence starts.

Wie weit oben an der Strecke er liegt, hängt von zwei Dingen ab: wie schnell der Zug fährt und wie lange die Warnung dauern muss. Die Beziehung ist die grundlegende für jede gleichbleibende Geschwindigkeit:

Abstand = Geschwindigkeit × Vorwarnzeit

Die Vorwarnzeit ist eine Entwurfsentscheidung, festgelegt von der Straßenbehörde oder der Bahn für den jeweiligen Übergang. Sie muss das Blinklicht, den Weg der Schranken und einen Puffer für ein Fahrzeug abdecken, das sich schon auf dem Übergang befindet. Die hier verwendeten 27 Sekunden sind eine veranschaulichende Zahl und keine Vorschrift eines bestimmten Landes. Nehmen wir eine Streckengeschwindigkeit von 100 mph, also etwa 160 km/h:

• 100 mph × 0,44704 = 44,7 m/s (160 km/h ÷ 3,6 ergibt 44,4 m/s, ungefähr dasselbe).
• 44,7 m/s × 27 s = etwa 1.207 m, also rund 1,2 km.

Der Detektor sitzt also etwa 1,2 km vor dem Übergang. Ein Zug, der ihn mit Streckengeschwindigkeit passiert, erreicht den Übergang 27 Sekunden später. Das nächste Diagramm wendet dieselben 27 Sekunden auf andere Geschwindigkeiten an.

Beachte den Gegensatz zum Bremsen, wo eine Verdopplung der Geschwindigkeit den Bremsweg vervierfacht. Hier ist der Zusammenhang gerade, weil der Zug nicht langsamer wird; er legt in derselben Zeit einfach doppelt so viel Strecke zurück.

Das Problem langsamer Züge

Der Auslösepunkt ist festgelegt, doch nicht alle Züge fahren gleich schnell. Ein Zug mit 25 mph, der einen für 100 mph ausgelegten Detektor auslöst, braucht 1.207 m ÷ 11,18 m/s, also etwa 108 Sekunden, bis er die Straße erreicht. Die Schranken wären viermal so lange unten wie nötig, und Fahrer würden warten, ohne etwas zu sehen. Ein Übergang, der ständig Fehlalarm gibt, bringt Menschen dazu, die Schranken zu umgehen.

Übergänge auf Strecken mit gemischten Geschwindigkeiten gehen daher auf eine von zwei Arten damit um. Manche messen die Geschwindigkeit mit zwei Detektoren in einem bekannten Abstand voneinander und starten die Abfolge an einem Punkt, der für diese Geschwindigkeit gewählt ist. Andere fügen einen Timer hinzu, sodass die Warnzeit passend verkürzt wird. Beide stellen die vorgesehene Vorwarnzeit wieder her, unabhängig von der Geschwindigkeit des Zuges.

Fehlersichere Auslegung

Das wichtigste Sicherheitsprinzip lautet: Ein Fehler soll den Verkehrsteilnehmer etwas Bequemlichkeit kosten, niemals Sicherheit. Die Relais sind so gebaut, dass sie durch Schwerkraft abfallen; fällt der Strom aus, fallen sie ab, und ein abgefallenes Relais bedeutet „Zug vorhanden“. Ebenso sieht eine gebrochene Schiene, ein defektes Kabel oder ein ausgefallener Strom wie eine belegte Strecke aus.

Das Ergebnis: Bei Stromausfall sollten die Schranken unten bleiben, nicht oben. Fahrer werden durch eine unnötige Schranke aufgehalten, was lästig ist. Sie werden nicht ohne Vorwarnung über eine stromführende Strecke geschickt, was gefährlich wäre. Fehler in die falsche Richtung, bei denen die Technik „sicher“ anzeigt, obwohl es nicht sicher ist, sind die, die Konstrukteure am härtesten zu verhindern versuchen.

Zusammengefasst

1. Erkennen: Ein Zug fährt in den Auslöseabschnitt ein und lässt ein Relais abfallen oder ändert die Achszählung.
2. Warnen: Lichter blinken und Glocken läuten.
3. Senken: die Schranken senken sich, sobald der Straße Zeit gegeben wurde zu reagieren.
4. Freigeben: wenn der Zug den Übergang passiert hat, wird der Abschnitt frei und die Schranken heben sich.

Der Store-Eintrag für Valley Rail: Train Tycoon erwähnt Bahnübergänge mit automatischen Signalen. Es sagt nicht, wie sie Züge erkennen, daher ist alles oben Gesagte reale Ingenieurspraxis und keine Beschreibung des Spiels.

Was du daraus mitnehmen solltest

• Gleisstromkreise nutzen die Achsen des Zuges, um die Schienen kurzzuschließen und ein Relais abfallen zu lassen; Achszähler vergleichen die Zählungen von Ein- und Ausfahrt.
• Der Detektor sitzt weiter oben an der Strecke, im Abstand Geschwindigkeit × Vorwarnzeit. Bei 100 mph und 27 s sind das etwa 1,2 km.
• Der Abstand bei fester Vorwarnzeit wächst mit der Geschwindigkeit, der Bremsweg dagegen mit deren Quadrat.
• Fehlersicher heißt: Ein Fehler lässt die Relais abfallen, und die Schranken senken sich.