ERTMS/ATO sous signalisation latérale

par

Le système européen de conduite automatique des trains ATO over ETCS, ou ERTMS/ATO, fonctionne en tandem avec l’équipement de signalisation embarqué ERTMS/ETCS. Pour que le tout fonctionne, les voies doivent être équipées de la composante sol de l’ERTMS/ETCS. Problème : le déploiement de l’ERTMS/ETCS au sol demande beaucoup de moyens, et de temps. Cette situation retarde l’adoption de la solution ATO over ETCS, et empêche de bénéficier dès maintenant de ses avantages : réduction de la consommation d’énergie, meilleure adhérence à la table horaire.

Des solutions permettant d’utiliser la solution standard ATO over ETCS sur des voies qui ne sont pas encore équipées d’ERTMS/ETCS sont à l’étude. Notamment via la perception visuelle et l’interprétation de la signalisation latérale. Il s’agit de solutions de migration, afin d’encourager l’adoption du système ATO over ETCS. Découvrons celles-ci dans cet article.

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 :

  • Ajouter 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, aussi appelée ERTMS/ATO, est une composante intrinsèque de l’écosystème ERTMS. Par conséquent, sa spécification technique, le SUBSET-125, précise que l’utilisation de la solution ERTMS/ATO, sans le système ERTMS/ETCS, est hors scope. Dit autrement, ATO over ETCS n’est pas spécifié pour fonctionner avec un système de protection autre qu’ERTMS/ETCS, notamment les systèmes de classe B.

ATO over ETCS architecture

ERTMS/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 ERTMS/ETCS peine à décoller. Alors qu’il est censé remplacer les systèmes de classe B, et faciliter l’intéropérabilité, il 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 en 2021, 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 (2021), SNCF Réseau

ERTMS figures

Données de déploiement en décembre 2021. (source ertms.net)

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

  • de l’équipement des engins moteurs de la partie bord de l’ERTMS/ETCS,
  • du déploiement de la partie sol de l’ERTMS/ETCS, sans laquelle la composante sol ne peut fonctionner,

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’ERTMS/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 un non-sens en 2022 avec la volonté d’aller vers davantage d’interopérabilité),
  • Enferme l’entreprise ferroviaire dans une solution propriétaire avec un industriel,
  • Ira à l’encontre de la STI CCS 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’ERTMS/ETCS.

Bénéficier des avantages d’ERTMS/ATO sans attendre

Certaines entreprises ferroviaires ne souhaitent pas attendre le déploiement effectif de l’ERTMS/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.

En Octobre 2022, interrogé par La Vie du Rail, M. Alexandre Gallo, PDG de DB Cargo France, alerte sur l’augmentation significative des coûts de l’électricité. Cette augmentation est de nature à sérieusement affecter la compétitivité du fret ferroviaire. [1]

Des solutions techniques existent pour répondre à ce problème. En effet, dans une présentation donnée à l’Agence Européenne du Rail en 2017, deux exemples mettent en lumière des réductions possibles de consommation d’énergie, par uniformisation des profils de conduite avec la solution ATO over ETCS sur une flotte de trains :

  • En intercités, cela permettrait jusqu’à 15% d’économies potentielles,
  • En suburbain, cela permettrait jusqu’à 42% d’économies potentielles.

La conduite automatique fait partie des solutions dites d’efficacité énergétique, c’est-à-dire permettant de réduire la consommation d’énergie à service rendu constant. Sauf que comme nous l’avons vu, cette solution n’est pas exploitable à grande échelle aujourd’hui, faute de déploiement d’ERTMS/ETCS sur les voies.

Ainsi, l’utilisation de la solution ATO over ETCS sans attendre le déploiement d’ERTMS/ETCS sur les voies répond à une problématique réelle des entreprises ferroviaires.

Les expérimentations

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 ERTMS/ETCS, et sur un train non équipé ERTMS/ETCS. [2] Le cas d’utilisation est la conduite automatique en présence d’un conducteur (GoA2).

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

ATO over ETCS sans ETCS

L’absence d’ERTMS/ETCS est compensée par un dispositif d’adaptation, un ATO-ADAPTER. Cet adaptateur a pour but de récupérer toutes les informations de signalisation possibles, et de les adapter au format standard du SUBSET-130. NS a fait le choix d’utiliser la combinaison de trois sources d’information, pour alimenter l’ATO-ADAPTER :

  • Le système de signalisation latérale, c’est à dire les feux et panneaux fixes implantés le long des voies, perçus par des caméras installées sur le train (PER),
  • Les système d’enclenchement (Routelint),
  • Le système de classe B : ATB,
  • L’acquittement du conducteur,

Le principe général du système est le suivant :

  • Le système d’enclenchement Routelint est connecté, et permet de récupérer la logique d’enclenchement (occupation des circuits de voie et itinéraires verrouillés),
  • Cette logique d’enclenchement permet d’anticiper l’état du prochain signal de la signalisation latérale,
  • Un système de perception (PER), cherche dans l’environnement physique le prochain signal, et remonte son aspect perçu,
  • Le conducteur confirme ou infirme l’état du signal vu par PER,
  • Le système de classe B ATP remonte des informations de signalisation,
  • ATO-ADAPTER fusionne le tout et procure à l’ATO un SUBSET-130 conforme à la spécification standard.

Ainsi, le système ATO embarqué est alimenté par l’interface SUBSET-130, comme s’il était connecté avec un bord ERTMS/ETCS. Le module ATO-ADAPTER permet l’utilisation de l’interface standard SUBSET-130, et par extension l’utilisation d’ATO over ETCS sans modifications.

ATO over ATB

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’ERTMS/ETCS.
  • La nécessité de disposer de données statiques concernant les signaux : quelle est la qualité et la disponibilité de cette donnée ?
  • L’obligation du conducteur de confirmer ou d’infirmer l’état des signaux : cela ouvre la question de l’ergonomie de conduite.

Quoi qu’il en soit, l’utilisation du coeur générique ERTMS/ATO, avec ses interfaces standard, est une première étape vers le déploiement de l’ERTMS/ETCS. Lorsque le train en sera équipé, ainsi que le sol, l’ATO-ADAPTER pourra être retiré, l’autopilote lui, pourra être conservé tel quel.

C’est ainsi que dans un post LinkedIn, M. Carlo M Borghini, Directeur du programme public-privé Europe’s Rail, salue l’expérimentation menée par NS avec CAF Signalling. Il met en exergue l’opportunité d’utiliser ATO over ETCS sur des lignes pas encore équipées ERTMS/ETCS, afin de bénéficier de ses avantages. [6]

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 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 avec la solution ATO over ETCS sous signalisation latérale, sur la ligne Longwy-Longuyon. [4]

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

ATO over ETCS-Onboard

Une solution de migration s’impose

Les voies ferrées équipées en ERTMS/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 mettent en lumière que des solutions de migration sont possibles avec ATO over ETCS équipé d’adaptateurs émulant tout ou partie de l’ERTMS/ETCS.

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. [5]

Ce programme a pour but de proposer une solution permettant l’utilisation de la solution ATO over ETCS, du GoA2 au GoA4, sur des voies qui ne sont pas encore équipées d’ERTMS/ETCS. Une possibilité est d’utiliser la perception visuelle de la signalisation latérale, son interprétation, et son utilisation par un futur équipement ERTMS/ETCS à bord. Ce concept ressemble fortement au niveau 1 actuel de l’ERTMS/ETCS, et j’en parle en détail ici : le niveau 1 virtuel.

Architecture du système

ERTMS ATO GoA2 Lineside signalling BAL (credit Antoine BLAS)

Architecture stylisée du système ERTMS/ATO, sous signalisation latérale, en GoA2. Crédit : Antoine BLAS pour Voie Libre.

Le point de départ est le train dont nous souhaitons piloter automatiquement la traction et le freinage, pour opérer la mission. Le système de contrôle-commande du train (TCMS) doit être prévu pour fonctionner avec un autopilote. Si ce n’est pas le cas, par exemple pour un train déjà existant qui fait l’objet d’une modernisation, alors des adaptateurs sont nécessaires. En effet, les trains actuels ont été conçus pour être pilotés uniquement via un pupitre de conduite !

L’ATO à bord (ATO-OB) commande la traction et le freinage au TCMS, en respectant les informations de signalisation qui lui sont fournies par l’ETCS à bord (ETCS-OB). L’ETCS à bord reçoit les informations de signalisation du sol par les systèmes ETCS installés à la voie (ETCS-TS). Ces systèmes à la voie sont en mesure de fournir les informations de signalisation grâce aux états et logiques d’enclenchement en vigueur (Interlocking).

Dans notre cas, les voies ne sont pas équipées en ETCS sol (ETCS-TS). Néanmoins, les signaux lumineux implantés le long de la voie affichent l’état et la logique d’enclenchement en vigueur ! De ce fait, les informations de signalisation sont récupérées depuis les signaux lumineux par un système de perception (PER). L’état du signal est transformé en information compatible avec ETCS par un convertisseur à bord (Converter). Pour savoir quand un prochain signal est attendu, le plan de voie est numérisé dans une carte (Digital Map) et le train se localise sur le plan de voie à l’aide d’une navigation embarquée (Onboard Localization).

L’ATO à bord (ATO-OB) respecte les horaires de la mission, qui a été transmise par l’ATO au sol (ATO-TS), qui a le rôle de boîte aux lettres. La liaison entre ATO bord et sol se fait par radio en utilisant la 2G/3G/4G/5G en fonction du réseau disponible.

L’ATO au sol (ATO-TS) est une application logée dans un serveur. Elle récupère du système de gestion de trafic (Traffic Management System) le schéma opératoire en vigueur à tout instant sur le réseau ferré. Toute mise à jour du schéma opératoire (par exemple modification d’horaires ou de points d’arrêts), est détectée par l’ATO au sol, et transmise à l’ATO bord concerné.

Sur le schéma ci-dessus, on retrouve donc :

  • le monde du matériel roulant, en bleu clair,
  • le monde de l’exploitation, en bleu foncé,
  • le monde de la signalisation, en rouge.

Conclusion

Alors que le système standard ATO over ETCS fonctionne en tandem avec ERTMS/ETCS, le temps de déploiement de l’ERTMS/ETCS retarde l’adoption de la conduite automatique. Ainsi, les entreprises ferroviaires ne peuvent pas bénéficier des avantages d’une réduction de la consommation d’énergie, et d’une meilleure adhérence à la table horaire de leurs trains.

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’interopérabilité et l’interchangeabilité.

Des expérimentations utilisant ATO over ETCS, avec des adaptateurs, mettent en lumière la faisabilité d’une solution de migration, en attendant l’installation de l’ERTMS/ETCS.

Dans le contexte énergétique tendu de 2022, avec des appels à l’aide d’entreprises ferroviaires de fret [1], des solutions pour maîtriser la compétitivité du rail et maintenir le report modal doivent être trouvées. Employer la solution ATO over ETCS avec la signalisation latérale, c’est permettre une utilisation rapide et massive, et cela apporterait une réponse crédible au problème posé par l’augmentation des coûts de l’énergie.

Voyant une opportunité, la Commission Européenne a lancé un programme avec opérateurs et industriels, visant à proposer une solution permettant l’utilisation de la solution ATO over ETCS, du GoA2 au GoA4, sur des voies qui ne sont pas encore équipées d’ERTMS/ETCS. Le mandat est d’utiliser la perception visuelle de la signalisation latérale, son interprétation, et son utilisation par un futur équipement ERTMS/ETCS à bord. Ce concept est assimilable à une virtualisation du niveau 1.

Cette approche offre des opportunités notables :

  • La protection du train avec un bord ERTMS/ETCS 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 ERTMS/ETCS devient un moyen d’influence sur le gestionnaire d’infrastructure pour l’inciter à déployer ERTMS/ETCS.
  • 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 amont : ERTMS/ETCS.

Ce concept présente néanmoins un angle mort significatif : son impact sur ERTMS/ETCS et sa spécification, le SUBSET-026. Cette modification devra faire l’objet d’instructions longues et minutieuses par les acteurs de l’écosystème ERTMS. Ce temps d’instruction est incompatible avec l’urgence de la crise énergétique de 2022.

Par conséquent, pour de la conduite automatique en présence d’un conducteur (GoA2), une solution ATO over ETCS, basée sur la signalisation latérale et uniquement avec des adaptateurs convient. La protection du train serait toujours maintenue par le système de classe B. L’enjeu étant de rester parfaitement étanche entre la partie ATO over ETCS sous signalisation latérale avec adaptateurs, et le système de classe B. Cette approche incrémentale prépare l’entreprise ferroviaire pour une installation future de l’ERTMS/ETCS à bord.

Article suivant : Aller du GoA2 vers le GoA4.

Crédit photo de couverture : Bastian Simoni.

Références :

[1] https://www.lettreducheminot.fr/fret/lassociation-francaise-du-rail-craint-un-retour-en-arriere-pour-le-fret-ferroviaire/

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

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

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

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

[6] https://www.linkedin.com/posts/carlo-m-borghini-he-him-1973925_ai-europe-innovation-activity-6931855923745333248-tf8n/?utm_source=share&utm_medium=member_desktop