Le système ATO over ETCS

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ATO over ETCS est le système permettant la conduite automatique des trains, en respectant la signalisation européenne ETCS, et les horaires de la mission. Quels sont les grands principes d’ATO over ETCS et son architecture système ?

Si vous ne l’avez pas encore fait, je vous recommande de lire en premier lieu l’article Qu’est-ce que le train autonome ?

ATO over ETCS : l’autopilote européen

Dans les années 1990, devant le constat que chaque pays s’est équipé de systèmes de signalisation nationaux et propriétaires, naît l’idée de concevoir un unique système de signalisation européen.

C’est ainsi que démarre la conception de l’ETCS (European Train Control System), dont l’objectif est de remplacer la totalité des systèmes nationaux. Les premières spécifications sont publiées courant des années 1990, et les premiers déploiements ont lieu durant la décennie 2000.

Pourtant, lors de la conception de l’ETCS, il n’est pas prévu d’y accoler un autopilote, permettant de gérer automatiquement la traction et le freinage du train en présence d’un conducteur (GoA2).

C’est à partir de la décennie 2010, que les opérateurs et industriels se mettent autour de la table, afin de concevoir et spécifier l’option d’autopilotage sous ETCS, qui deviendra ATO over ETCS.

Les principes d’ATO over ETCS

Le point de départ : la mission

Lorsqu’un conducteur conduit son train, il respecte la mission qui lui a été confiée. Cette mission, c’est la fiche horaire : le conducteur sait avec ce document à quelle heure il est sensé traverser telle gare ou tel point remarquable. C’est avec cette fiche horaire que le conducteur gère la traction et le freinage de son train, afin d’être ni en avance, ni en retard.

L’autopilote, ATO (Automatic Train Operation), a le même objectif. Il doit respecter les horaires qui lui ont été confiés. Pour cela, il s’appuie sur une donnée d’entrée qui s’appelle le Journey Profile.

Le Journey Profile contient un ensemble d’informations permettant à l’ATO de savoir :

  • où il est sensé aller (l’itinéraire théorique)
  • à quelle heure il doit passer des points remarquables
  • s’il existe des contraintes particulières sur le réseau, comme des zones de restriction de vitesse, d’adhérence dégradée ou d’inhibition de l’autopilotage

Le Journey Profile est l’élément de départ. Il fait référence à une seconde donnée d’entrée pour l’ATO : les caractéristiques de la voie qui sera empruntée par l’itinéraire théorique. C’est le Segment Profile.

Le Segment Profile contient des informations qui permettent à l’ATO de savoir précisément comment gérer la traction et le freinage du train. Ces informations sont : la vitesse maximale de ligne, les rampes et pentes, ainsi que les courbes.

Comment affecter la mission à un train ?

Aujourd’hui, la fiche horaire est un document fourni par le gestionnaire d’infrastructure (SNCF Réseau en France).

C’est une information qui provient du système de gestion de trafic, aussi appelé Traffic Management System ou TMS. Le TMS appartient au gestionnaire d’infrastructure, et peut gérer le réseau à l’échelle d’un département, d’une région ou d’un pays.

Nous avons donc notre fiche horaire qui est logée dans le TMS. Comment faire pour que celle-ci parvienne à l’autopilote à bord du train ?

ATO Sol : la boîte aux lettres

Comme nous avons notre fiche horaire qui est dans le TMS, et que nous voulons la transmettre à notre autopilote dans le train, il nous faut un intermédiaire.

Cet intermédiaire, c’est la partie sol de l’ATO. Il s’agit d’un ou de plusieurs serveurs fixes, connectés au TMS du gestionnaire d’infrastructure. L’ATO sol récupère à tout instant les données horaires qui lui sont mises à disposition par le TMS.

A bord du train, nous avons la partie bord de l’ATO. Lorsque l’ATO bord est réveillé, il connait l’adresse IP de son ATO sol de référence. Ainsi, il va ouvrir une liaison, et demander à l’ATO sol s’il a une mission pour lui. Si c’est le cas, l’ATO sol lui envoie un Journey Profile, et les Segment Profiles associés. Si ce n’est pas le cas, alors l’ATO bord va continuer à régulièrement interroger l’ATO sol.

ATO over ETCS : mission

La liaison entre l’ATO bord et l’ATO sol peut utiliser le réseau public 2G/3G/4G/5G, ou bien le réseau mobile dédié aux applications ferroviaires, le GSM-R.

ATO bord : l’autopilote aux manettes

L’ATO bord, c’est l’autopilote à bord du train qui va commander au train la traction ou le freinage. Il ne fait pas plus : c’est pourquoi un conducteur reste en cabine, afin de reprendre la main en cas de situation dégradée.

L’ATO bord va donc utiliser les Journey Profile et Segment Profile qui lui ont été envoyés par l’ATO sol, afin de réaliser la mission. Pourtant, nous avons parlé de signalisation européenne en début d’article. Où intervient l’ETCS ?

Le conducteur doit respecter à tout instant la signalisation qui lui est présentée. S’il ne le fait pas, il se fait sanctionner par l’ETCS à bord du train, qui va automatiquement appliquer le freinage d’urgence.

Ainsi, l’ATO doit également conduire le train en respectant les informations de signalisation qui lui sont transmises. S’il ne le fait pas, l’ETCS applique le freinage d’urgence.

Principes ATO over ETCS

Par ici les économies !

L’ATO bord a un avantage : il « voit loin » grâce aux horaires et aux caractéristiques de la voie empruntée (pentes, rampes, courbes). Par ailleurs, l’ATO bord est configuré par la mission et le conducteur sur les caractéristiques du train (catégorie de train, longueur, masse). Avec toutes ces données, l’algorithme est capable de piloter très finement la traction, et de profiter le plus possible de la marche sur l’erre. La marche sur l’erre, c’est rouler sans traction, uniquement avec l’inertie du train, et cela fait faire des économies !

L’interaction avec le conducteur

L’ATO est un nouveau système pour le conducteur. L’interaction entre le conducteur et l’autopilote doit être la plus fluide possible, pour ne pas rajouter de la complexité supplémentaire.

La solution ATO over ETCS utilise l’écran d’interface de l’ETCS, le DMI (Driver Machine Interface), afin d’afficher au conducteur les informations sur l’état du système, et les données liées à la mission (heure, prochain arrêt). Le conducteur, par appui sur des boutons, peut engager l’ATO ou le désengager.

Illustration de l’ATO over ETCS, avec les équipements à bord et au sol.

Crédit : SIEMENS

L’architecture du système ATO over ETCS

Un système standard

Le système ATO over ETCS a été conçu et spécifié afin qu’il puisse être utilisé sans difficulté sur l’ensemble du territoire européen. Ainsi, l’architecture du système, ainsi que les interfaces, sont dans une documentation ouverte et standardisée. Les éléments du système seront interchangeables : un ATO sol d’Alstom pourra fonctionner avec un ATO bord de chez Siemens.

La spécification ATO over ETCS est en phase de finalisation, et sera intégrée en 2022 dans une norme européenne, la Spécification Technique d’Interopérabilité (STI) – Contrôle Commande et Signalisation. Cela signifie concrètement, que tout opérateur souhaitant s’équiper d’un ATO pour le réseau grandes lignes devra obligatoirement être en conformité avec cette norme. Les industriels devront proposer un système en accord avec la norme. Cela évitera tout système propriétaire, et chaque opérateur pourra s’équiper auprès de l’industriel de son choix. De plus, le passage aux frontières ne posera aucun problème, puisque ce sera le même système ATO over ETCS dans les pays européens (on parle d’interopérabilité).

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.

Construction ATO over ETCS

L’architecture ATO over ETCS en détail

ATO over ETCS architecture

La figure ci-dessus représente l’architecture du système complet :

  • ATO over ETCS en vert, décrit dans le SUBSET 125
  • Signalisation ETCS en orange, décrite dans le SUBSET 026
  • TMS, Train et enregistreur juridique en gris

Sur cette architecture, on peut tout de suite identifier les interfaces internes et externes du système ATO over ETCS. Les interfaces FFFIS (Form-Fit Function Interface Specification) permettent une interchangeabilité des composants : elles sont plug’n’play.  Cela signifie concrètement qu’il est possible d’utiliser un système ETCS d’Alstom, avec un ATO d’Hitachi par exemple.

L’interface interne se résume à celle entre l’ATO sol (ATO/DAS Trackside) et l’ATO bord (ATO/DAS onboard) : c’est le SUBSET 126. C’est cette interface qui permet l’envoi des Journey Profile et Segment Profile. L’annexe A du SUBSET 126 spécifie l’utilisation du réseau mobile ferroviaire GSM-R.

Passons maintenant aux interfaces externes.

Afin de récupérer la mission, l’ATO sol est connecté au TMS via l’interface X2RAIL-131. Cette interface n’est pas standardisée, car la plupart des TMS sont des équipements spécifiques. Des adaptateurs sont nécessaires pour récupérer les informations dont l’ATO sol a besoin.

Afin de ne pas provoquer de freinage d’urgence, l’ATO bord respecte les informations de signalisation qui lui sont transmises par l’ETCS bord. Cette interface est le SUBSET 130.

Les équipements ETCS bord existants ne sont pas à même de proposer cette interface, puisque celle-ci est récente. Une demande de modification de l’ETCS a été émise par le groupe de travail ayant conçu ATO over ETCS : c’est la Change Request 1238. En attendant que la modification soit prise en compte dans les futurs équipements ETCS bord, des adaptateurs sont là encore utilisés afin de rendre l’interface possible.

Lorsque l’ATO commande la traction et le freinage au train, il communique avec le système de contrôle-commande du matériel roulant. Cette communication se fait via l’interface SUBSET 139. Et là encore, un adaptateur est nécessaire, car les trains existants ne sont pas équipés pour être pilotés autrement que par le pupitre de conduite !

Enfin, l’ATO communique avec l’enregistreur juridique via l’interface SUBSET 140.

Les règles d’ingénierie pour l’ensemble des interfaces sont décrites dans le SUBSET 143.

L’ensemble des SUBSET sera accessible au public, une fois que les documents seront validés par l’Union.

ATO over ETCS prototypé et testé

En parallèle de la conception du système et de sa documentation, les industriels du groupe de travail ont réalisé des prototypes.

Ces prototypes ont été testés sur des plateformes de simulation, notamment afin de tester l’interopérabilité. Pour chaque test de référence, l’ETCS bord, l’ATO sol et l’ATO bord étaient tous fournis par un industriel différent, afin de vérifier que l’ensemble fonctionne correctement grâce aux interfaces standard.

ATO over ETCS a également été testé sur un train britannique, dont vous pourrez voir une vidéo ci-dessous.

La solution ATO over ETCS a également été testée en France, sur la ligne Longwy-Longuyon équipée de l’ETCS Niveau 1. La locomotive BB27000 du projet Train de Fret Autonome, équipée d’un bistandard ERTMS/KVB d’Alstom, et du système ATO over ETCS, a circulé en octobre 2020 pour l’expérimentation.

Le style de conduite : l’élément différenciant

L’algorithme permettant de piloter la traction et le freinage du train, en plus de respecter la signalisation et les horaires, doit s’adapter en fonction du type de train. On ne conduit pas de la même manière un TER, TGV ou un train de fret !

Ces différences dans la manière de piloter le train, ce sont les styles de conduite (driving styles) de l’ATO. Ces styles de conduite sont le savoir-faire des industriels, et font figure d’élément de différenciation entre les différents ATO sur le marché.

Pour autant, les expérimentations d’ATO over ETCS sur le fret ont mis en lumière la difficulté de tracter un convoi de marchandises sans risque [1]. Cela a conduit le groupe de travail à adopter des hypothèses de simplification pour la STI 2022 : le scope sera uniquement train de passagers.

L’angle mort : le temps de déploiement de l’ETCS

Qui dit ATO over ETCS dit… ETCS. Le système ne fonctionne pas sur une ligne qui n’est pas encore équipée du système de signalisation ETCS. Or le déploiement de l’ETCS demande du temps, et les moyens accordés par les Etats sont très différents au sein de l’UE.

Cette situation pose un sérieux problème aux opérateurs souhaitant lancer sans attendre la conduite automatique, et retarde donc l’adoption de la solution ATO over ETCS. Utiliser une solution ATO propriétaire et basée sur le système national de signalisation peut être tentant.

Afin de pallier cette difficulté, des expérimentations de la solution ATO over ETCS basée sur la signalisation latérale sont menées par des opérateurs. La Commission européenne a ouvert un nouveau programme visant à spécifier un ETCS-BORD couplé à un dispositif de perception et d’interprétation de la signalisation latérale. 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. J’en parle en détail dans cet article.

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

ATO over ETCS, la base du train autonome

Grâce à la traction et au freinage automatique, ATO over ETCS constitue la base du train autonome. Le système permet la conduite semi-autonome (GoA2), aussi bien sur du RER, du TGV ou du train régional. Des investigations complémentaires restent nécessaires pour spécifier la solution générique ATO over ETCS pour les trains de fret.

De nombreux projets commerciaux sont déjà en cours, afin d’augmenter la capacité des lignes en uniformisant la conduite des trains, tout en réalisant des économies d’énergie.

Les travaux de standardisation se poursuivent, afin de passer du GoA2 au GoA3/GoA4 : c’est ATO GoA4 over ETCS. Cette activité de spécification et d’expérimentation se déroulera jusqu’en 2026-2029.

Article suivant : ATO sous signalisation latérale.

Crédit photo de couverture : Alstom

Référence documentaire : SUBSET 125

[1] Webinar ATO over ETCS, an interoperable journey, slide 39 (https://projects.shift2rail.org/download.aspx?id=30ead5e4-21a6-4a7e-96c5-53a06be3363c

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