La conduite automatique sous signalisation latérale

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Le système standard de conduite automatique des trains ATO over ETCS repose sur la signalisation européenne ETCS. Mais comment faire lorsque les voies ne sont pas équipées d’ETCS ? La signalisation latérale, utilisée sur un très grand nombre de lignes ferroviaires, est-elle utilisable ?

Si vous n’êtes pas familier avec le système ATO over ETCS, je vous recommande de lire en premier lieu l’article Le système ATO over ETCS.

ATO over ETCS : la solution standard européenne

Le système de conduite automatique GoA2 ATO over ETCS a été spécifié par un groupe de travail européen, dans le cadre du partenariat public-privé Shift2Rail. Cette activité de spécification, démarrée dans la décennie 2010, sert plusieurs objectifs :

  • Proposer l’option de conduite automatique au système de signalisation européen ERTMS/ETCS,
  • Converger vers une solution standard, intéropérable, et interchangeable,
  • Devenir l’unique solution de conduite automatique de l’UE, en intégrant la révision 2022 de la Spécification Technique d’Intéropérabilité – Contrôle Commande et Signalisation.

Ainsi, la solution ATO over ETCS, et comme son nom l’indique, est à comprendre comme une extension du système ETCS. C’est d’ailleurs pourquoi, sa spécification technique, le SUBSET-125, précise que le cas d’usage d’ATO over ETCS sans équipement ETCS-BORD est hors-scope de celle-ci. Dit autrement, ATO over ETCS n’est pas spécifié pour fonctionner avec un système de protection (ATP) autre que l’ETCS-BORD, notamment les systèmes nationaux de classe B, que l’ETCS est sensé remplacer.

L’interface ATP/ATO SUBSET 130 est une interface parfaitement intéropérable (FFFIS – Fit Form Function Interface Specification), et elle est adhérente à des concepts propres à l’ETCS.

ATO over ETCS architecture

ETCS : un déploiement qui demande du temps et des moyens

Depuis sa conception dans les années 1990, et ses premiers déploiements dans la décennie 2000, force est de constater que le système européen de signalisation ETCS peine à décoller. Alors qu’il est sensé remplacer les systèmes de classe B, et faciliter l’intéropérabilité, ETCS n’a pas été déployé partout avec la même intensité.

En France, en 2021, 7474 kilomètres de voies font l’objet d’un équipement réalisé ou à venir. Sur un réseau de 35 000 kilomètres de voies, cela représente 21%. Par ailleurs, Luc Lallemand, PDG de SNCF RESEAU, a confirmé que le déploiement de l’ERTMS/ETCS n’est pas une priorité en France.

A l’horizon de 40 ou 50 ans, tous les réseaux en Europe seront équipés de ERTMS, mais aujourd’hui sur le réseau français, les priorités sont ailleurs.

Ville, Rail et Transports, numéro 646. Crédit photo : Aurore Baron

Luc Lallemand

PDG, SNCF Réseau

ERTMS figures

Par construction, la solution standard ATO over ETCS se trouve dépendante :

  • de l’équipement des engins moteurs de la partie bord de l’ETCS
  • du déploiement de la partie sol de l’ETCS

Les opérateurs pourraient tout à fait opter pour une solution ATO propriétaire et liée à leur système de classe B, mais cela :

  • Prolonge la durée de vie du système de classe B, considéré comme obsolète par l’UE, et qui doit être remplacé par l’ETCS,
  • Empêche tout passage aux frontières (à moins de développer un système ATO capable de s’interfacer avec les N systèmes nationaux des pays traversés – ce qui est opposé à la philosophie ETCS),
  • Enferme l’entreprise ferroviaire dans une solution propriétaire avec un industriel,
  • Ira à l’encontre de la STI 2022, qui deviendra la loi une fois ratifiée par les états membres de l’UE.

L’enjeu est donc d’utiliser la solution générique ATO over ETCS et ses interfaces standard, avec tout ou partie de l’ETCS.

L’envie des opérateurs de déployer de la conduite automatique

Certains opérateurs européens ne souhaitent pas attendre le déploiement effectif de l’ETCS sur les voies, pour équiper leurs trains d’un système de conduite automatique. SNCF envisage la conduite automatique sur le réseau ferré national pour du fret et du TER dès 2025, en utilisant la signalisation latérale. L’opérateur néerlandais NS expérimente de l’ATO over ETCS adapté pour fonctionner avec leurs systèmes de signalisation existants. En bref, les opérateurs cherchent des solutions de migration pour lancer dès à présent la conduite automatique.

Une solution de migration est pertinente lorsqu’elle se base sur le système ATO over ETCS et ses interfaces intéropérables. Tout ou partie de l’ETCS qui n’est pas encore déployé, est émulé et adapté par des dispositifs intermédiaires. Le jour où l’ETCS est déployé, seuls ces intermédiaires sont remplacés, le reste du système ne change pas.

ATO over ETCS (over ATB) : l’expérience Néerlandaise

Bref historique

L’opérateur des Pays-Bas, NS, a mené une expérimentation entre avril 2020 et septembre 2021, avec les industriels CAF Signalling et Ricardo Rail. Cette expérimentation avait pour but d’adapter le système ATO over ETCS, pour l’utiliser sur des voies non équipées ETCS, et sur un train non équipé ETCS. [1]

Comme présenté dans l’article Le système ATO over ETCS, le système ETCS procure à l’ATO les informations de signalisation que l’ATO doit respecter. S’il ne les respecte pas, alors l’ETCS à bord du véhicule applique automatiquement le freinage d’urgence. Dans l’expérimentation de NS, il n’existe pas d’ETCS.

ATO over ETCS sans ETCS

L’absence d’ETCS est compensée par un dispositif d’adaptation, un ATO-ADAPTER. Cet adaptateur a pour but de récupérer toutes les informations de signalisation qui lui sont proposées et quel que soit leur format, et de les adapter au format standard du SUBSET-130. NS a fait le choix d’utiliser la combinaison de trois systèmes, pour alimenter l’ATO-ADAPTER avec les informations de signalisation :

  • Le système de signalisation latérale, c’est à dire les feux et panneaux fixes implantés le long des voies
  • Les systèmes au sol d’enclenchement et de détection d’occupation des circuits de voie
  • Le système de classe B : ATB

Le système ATO over ETCS (over ATB) en détail

Le point de départ étant toujours la mission opérationnelle, l’ATO-BORD reçoit de l’ATO-SOL des Journey Profile (les horaires) et les Segment Profile (les caractéristiques de la voie). L’interface standard SUBSET-126 est utilisée pour cela, et l’ATO-SOL récupère les horaires du gestionnaire d’infrastructure Néerlandais Prorail, et plus particulièrement de son système de gestion de trafic Donna.

La nouveauté réside dans l’introduction d’informations propres aux signaux latéraux dans ces données statiques, et notamment un aspect de signal attendu. Ces informations supplémentaires au Segment Profile au sens du SUBSET-126 sont basées sur le standard SFERA. SFERA est une initiative de l’Union Internationale des Chemins de Fer (UIC), afin de compléter le SUBSET-126 de données supplémentaires, pour proposer un système d’aide à la conduite indépendant de l’ATO [2].

Le système d’enclenchement Routelint a été connecté au système, afin de récupérer l’état d’occupation des cantons. Avec cette information, le système est capable d’anticiper l’état du signal sensé se présenter au train (Expected Signal Aspect).

Ces informations sont transmises du sol vers le bord, de manière régulière. Le composant ATO-ADAPTER, livré par CAF, remplace l’ETCS-BORD pour fournir à l’ATO les informations de signalisation de manière compatible avec le standard SUBSET-130. En revanche, cet adaptateur ne porte aucune fonction de protection : c’est le système national ATB qui s’en charge. Donc si l’ATO ne respecte pas les courbes de protection du système national ATB, l’ATB-BORD applique le freinage d’urgence. Afin d’éviter que cela ne se produise, le composant ATO-ADAPTER intègre les spécificités de l’ATB, afin d’éviter les alertes et le freinage d’urgence intempestifs.

L’ATB-BORD est ainsi connecté à l’ATO-ADAPTER, et lui transmet les informations de signalisation ATB qu’il a à sa disposition (ATB Codes). Un dispositif de localisation est également connecté (WITbox), permettant à l’ATO-ADAPTER de localiser le train sur le plan de voie.

Avec cette localisation, et les données statiques des feux de signalisation fournies par le sol (Signals, Expected Signal aspect), le système de perception PER recherche dans l’environnement extérieur le signal, et confirme son état à l’ATO-ADAPTER.

Avec une interface homme-machine, le conducteur confirme au système l’état du signal. Dès lors, l’ATO-ADAPTER possède un ensemble d’informations de signalisation, qu’il est à même de convertir au format standard SUBSET-130, et de les transmettre à l’ATO-BORD.

Avec ce dispositif, l’ATO-BORD reste conforme au standard SUBSET-125, et l’interface SUBSET-130 ATP/ATO est respectée. Les données typées ETCS du SUBSET-130 sont reproduites par l’ATO-ADAPTER sur la base des entrants du sol (notamment les balises ETCS virtuelles).

ATO over ATB

Donc si nous résumons les grands principes du système :

  • La mission opérationnelle est complétée d’informations supplémentaires provenant des systèmes d’information du gestionnaire d’infrastructure :
    • Emplacement et typologie des signaux
    • Etat d’occupation des circuits de voie
  • Les informations de signalisation provenant initialement de l’ETCS-BORD sont reproduites par un ATO-ADAPTER, qui fusionne :
    • Les données provenant du système national ATB
    • L’état du signal anticipé par le sol (via l’état d’occupation des circuits de voie), confirmé par le système de perception et le conducteur via l’interface homme-machine.

L’ATO-ADAPTER émule un ETCS-BORD, et complète les variables typées ETCS de l’interface SUBSET-130 avec les données qui lui sont fournies par le système au global. Un exemple concerne les balises ETCS virtuelles et leur chaînage, procuré par le sol.

Enfin l’ATO-ADAPTER tient compte des spécificités du système national ATB (notamment ses courbes d’alerte et de protection), afin de fournir à l’ATO-BORD des informations de signalisation, lui permettant de conduire le train sans se faire sanctionner par l’ATB (schéma ci-dessous avec les courbes bleue ATB et violette ATO).

Safe Trainmovement

Avantages et angles morts de la solution expérimentée par NS

L’expérimentation de NS peut-être considérée comme une solution de migration, étant donné la réutilisation du système standard ATO over ETCS, avec l’utilisation d’adaptateurs pour le rendre compatible avec l’existant. Les interfaces entourant l’ATO-BORD sont toutes conformes aux standards : SUBSET et SFERA.

En revanche, elle n’est pas exempte de sujets plus ou moins problématiques :

  • La dépendance avec un système de classe B : l’ATB. Cela peut inciter à la prolongation de sa durée de vie, alors que l’ATB est considéré comme obsolète par l’UE, et qu’il doit être remplacé par l’ETCS.
  • La nécéssité de disposer de données statiques concernant les signaux : quelle est la qualité et la disponibilité de cette donnée ?

La conduite automatique sous signalisation latérale en France

SNCF souhaite lancer la conduite automatique fret et TER dès 2025 sur le réseau ferré national. Pour cela, SNCF expérimente avec des partenaires la faisabilité de l’ATO over ETCS équipé d’adaptateurs, pour opérer sous signalisation latérale. Les projets expérimentaux sont : Train de Fret Autonome et TER Service Voyageurs.

L’objectif de ces deux projets est le même : parvenir à circuler en conduite automatique sur des lignes sans ETCS, équipées uniquement de signalisation latérale de type Block Automatique Lumineux (BAL) et Block Automatique à Permissivité Restreinte (BAPR). SNCF avait par ailleurs déjà mené des investigations sur la détection de la signalisation latérale avec des industriels, dans le cadre du projet TAS (Transport terrestre Autonome en Sécurité dans son environnement) [3].

En janvier 2022, les équipes du projet Train de Fret Autonome démontrent la faisabilité de la conduite automatique GoA2 sous signalisation latérale, sur la ligne Longwy-Longuyon. [5]

La vidéo ci-dessous présente les essais conduits du 24 au 28 janvier 2022.

ATO over ETCS-Onboard

Le constat d’une nécessaire migration

Les voies ferrées équipées en ETCS restent faibles, et la dynamique de déploiement est variable d’un pays à l’autre en fonction des moyens accordés. C’est une problématique qui retarde l’adoption de la solution ATO over ETCS.

Des investigations tant côté NS que SNCF mettent en lumière que des solutions de migration sont possibles avec ATO over ETCS par le biais d’adaptateurs émulant tout ou partie de l’ETCS (composante Sol ou Bord).

Voyant une opportunité d’accélérer l’adoption de la solution standard, la Commission Européenne a accepté une proposition de nouveau programme dans le cadre du parteneriat public-privé Shift2Rail : Technologies Supporting Migration to ATO over ETCS. Il rassemble les industriels de la signalisation, la SNCF, et est animé par Alstom. [4]

Ce programme a pour but de proposer un concept d’ETCS-BORD pouvant obtenir les informations de signalisation dont il a besoin, sur la base de la perception et l’interprétation de la signalisation latérale. Ce concept pourrait s’apparenter à du niveau 1 virtuel.

Il s’agit donc d’un projet permettant un découplage entre ETCS-Bord et ETCS-Sol, ouvrant la voie à l’utilisation d’une solution ATO over ETCS-Onboard, sur n’importe quelle ligne équipée de signalisation latérale.

Signaux BAL Longwy
Signaux de Block Automatique Lumineux, sur potence, présentant l’état Carré.

Crédit photo : Bastian Simoni

Construction du système

Le point de départ est le train dont nous souhaitons piloter automatiquement la traction et le freinage, pour opérer la mission. Afin d’équiper un train déjà existant, un adaptateur est nécessaire. En effet, les trains actuels ont été conçus pour être pilotés uniquement via un pupitre de conduite !

L’ATO commande la traction et le freinage à l’adaptateur du train, en respectant les informations de signalisation qui lui sont fournies par l’ETCS. La nouveauté réside dans l’obtention des informations de signalisation sol par les signaux implantés le long des voies, via un dispositif de perception et d’adaptation.

Construction ATO over LS

Conclusion

Alors que le système standard ATO over ETCS suppose, par construction, la présence des équipements ETCS, le temps de déploiement de l’ETCS retarde l’adoption de cette solution. Parallèlement, la solution ATO over ETCS intègrera la révision 2022 de la Spécification Technique d’Intéropérabilité Contrôle-Commande et Signalisation. Une fois ratifiée par les Etats de l’UE, la solution ATO over ETCS deviendra l’unique solution possible, afin de garantir l’intéropérabilité et l’interchangeabilité.

Des expérimentations utilisant ATO over ETCS, avec des adaptateurs reproduisant un ETCS-BORD, mettent en lumière la faisabilité d’une solution de migration, en attendant l’installation de l’ETCS. Voyant une opportunité, la Commission Européenne a lancé un programme avec opérateurs et industriels, visant à proposer un concept de nouvel ETCS-BORD couplé à un dispositif de perception et d’interprétation de la signalisation latérale. Ce projet permet un découplage entre ETCS-Bord et ETCS-Sol, et ouvre la voie à l’utilisation d’une solution ATO over ETCS-Onboard sur n’importe quelle ligne équipée de signalisation latérale.

Ce concept offre des opportunités notables :

  • La protection du train avec un ETCS-BORD sur la base de la perception et de l’interprétation de la signalisation latérale. Ainsi, le système de classe B à bord peut-être décommissionné.
  • Par extension, cela peut inciter les entreprises ferroviaires à déployer du bord pour s’épargner l’installation de systèmes nationaux afin d’accéder à un réseau ferré. L’accroissement du parc d’engins équipés d’ETCS-BORD devient un moyen d’influence sur le gestionnaire d’infrastructure pour l’inciter à déployer l’ETCS au sol.
  • La conduite automatique sous signalisation latérale en utilisant la solution standard ATO over ETCS sans la moindre adaptation, puisque la nouveauté réside dans la partie ETCS.

Au delà du concept, le défi de la certification est certain, et les industriels seront attendus pour proposer des solutions de sécurité.

Article suivant : Aller du GoA2 vers le GoA4.

Crédit photo de couverture : Bastian Simoni.

Références :

[1] https://www.railtech-europe.com/wp-content/uploads/2021/03/Lammert-Visser-NS.pptx.pdf

[2] https://uic.org/events/uic-irs-90940-sfera-launch

[3] https://www.digital.sncf.com/actualites/train-autonome-lenjeu-de-la-detection-et-de-la-signalisation

[4] https://cordis.europa.eu/project/id/101014984/fr

[5] https://www.sncf.com/fr/groupe/newsroom/train-fret-autonome-230222

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