ATO over ETCS est le système permettant le pilotage automatique des trains, en présence d’un conducteur. Aussi appelé ERTMS/ATO, cet autopilote est couplé au système de signalisation européen ERTMS/ETCS dont il doit respecter les ordres, tout en s’inscrivant dans la table horaire. Découvrons 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 ?
Qu'est-ce que le train autonome ?
Dernière mise à jour : 08/03/2023.
Le degré d’automatisation des trains
Les technologies de signalisation et automatismes ferroviaires offrent différents degrés d’automatisation de l’exploitation des trains. Une définition proposée par l’UITP (Union Internationale des Transports Publics) est le Grade of Automation (GoA), de 0 à 4.
- GoA0 : conduite à vue,
- En conduite à vue, le conducteur tractionne et freine le train selon ce qu’il voit dans l’environnement (signaux, obstacles, dangers). Aucun dispositif n’est là pour superviser sa conduite. La marche à vue est couramment utilisée pour le tramway, où les vitesses restent faibles.
- GoA1 : conduite supervisée par un ATP,
- Le GoA1 apporte un premier niveau d’automatismes, car la conduite est supervisée par un système de protection (ATP – Automatic Train Protection).
- Un ATP peut protéger le train contre le franchissement de signaux fermés, ou le dépassement d’une vitesse limite, en appliquant automatiquement le freinage d’urgence.
- GoA2 : traction et le freinage automatisés,
- Dans ce niveau, un ATO génère les consignes de traction et de freinage et les envoie vers le train, à la place du conducteur.
- L’ATO génère ces consignes selon les limites de signalisation fournies par l’ATP, tout en respectant les horaires de la mission à réaliser. L’ATP continue sa supervision, et applique automatiquement le freinage d’urgence si l’automatisme ne respecte pas la signalisation.
- Le conducteur reste en cabine et continue d’observer l’environnement, afin de reprendre la main en cas de situation dégradée.
- GoA3 : train autonome, avec du personnel à bord,
- En GoA3, il n’y a plus de conducteur en cabine. Les aléas de l’environnement (obstacles, dangers) doivent être adressés par d’autres moyens.
- Du personnel reste à bord pour conseiller les passagers, et intervenir en cas d’aléas.
- GoA4 : train autonome, sans personnel à bord,
- Il s’agit du niveau d’automatisation le plus avancé, dans lequel il n’y a pas de personnel à bord du train.
- C’est le degré d’automatisation du métro de la ligne 14 à Paris par exemple.
Le préalable : le GoA1 avec ERTMS/ETCS
Les ATP déployés entre 1970 et 2000 en Europe posent de sérieuses difficultés à traverser les frontières. Avant de parler de conduite automatique, le sujet de simplification et d’uniformisation de la signalisation sur le continent européen s’impose.
Pour cela, les opérateurs, industriels et l’UE ont décidé dans les années 1990 de spécifier un nouveau système de signalisation, dont l’objectif est de remplacer la totalité des systèmes nationaux.
Ce nouveau système est l’ERTMS/ETCS (European Rail Traffic Management System / European Train Control System), le système de contrôle des trains, européen et interopérable.
ERTMS/ETCS : la signalisation ferroviaire interopérable
Pourtant, lors de la conception de l’ERTMS/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 avec ERTMS/ETCS : c’est ERTMS/ATO (Automatic Train Operation).
ERTMS/ATO est une solution offrant un niveau d’autonomie GoA2 : l’automatisme gère la traction et le freinage de manière automatique, et le conducteur reste présent en cabine pour surveiller la voie et gérer la situation en cas d’aléa.
En conduite manuelle, sur une ligne équipée du système de signalisation ETCS, le conducteur contrôle la traction et le freinage en respectant :
- Les ordres de signalisation qui lui sont affichés en cabine par l’ETCS. Si le conducteur ne les respecte pas, l’ETCS applique le freinage d’urgence.
- Les horaires, c’est-à-dire la mission opérationnelle à dérouler, afin que le train ne soit ni en avance, ni en retard.
Les principes d’ERTMS/ATO
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 supposé 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, 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 censé 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.
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 ERTMS/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.
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 !
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.
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
Architecture stylisée du système ERTMS/ATO 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).
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.
L’architecture ATO over ETCS en détail
La figure ci-dessus représente l’architecture du système complet :
- ATO over ETCS en vert, décrit dans le SUBSET 125
- Signalisation ERTMS/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 est disponible dans la bibliothèque.
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’ERTMS/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’ERTMS/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 ERTMS/ETCS. Or le déploiement de ce système 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, afin de bénéficier de la réduction de consommation d’énergie. Elle 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 la solution permettant l’utilisation du système ERTMS/ATO sur une ligne équipée de signalisation latérale.
ATO sous signalisation latérale
En janvier 2022, les équipes du projet Train de Fret Autonome démontrent la faisabilité de la conduite automatique, en utilisant la solution standard ATO over ETCS (GoA2) sous signalisation latérale, à l’aide d’adaptateurs. La vidéo ci-dessous présente les essais conduits du 24 au 28 janvier 2022 sur la ligne Longwy-Longuyon.
Conclusion
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.
La crise énergétique de 2022, particulièrement impactante pour le ferroviaire, risque de diminuer sa compétitivité et son attractivité pour le fret et les passagers. C’est le risque d’un coup de frein au report modal. Les économies d’énergie offertes par le système ERTMS/ATO sont un atout fondamental. Cela milite pour une adoption rapide et massive de la conduite automatique sur le réseau ferroviaire, qu’il soit équipé d’ERTMS/ETCS ou non.
Ainsi, l’utilisation du système ERTMS/ATO sous signalisation latérale, fait l’objet de recherches dans un groupe de travail qui rendra ses conclusions en 2023. Ceci permettra l’utilisation de la conduite automatique sur des lignes qui ne sont pas encore équipées du système de signalisation européen.
Les travaux de standardisation se poursuivent, afin de passer du GoA2 au GoA3/GoA4 : c’est ERTMS/ATO GoA4. Cette activité de spécification et d’expérimentation se déroulera jusqu’en 2026-2029.
Article suivant : ATO sous signalisation latérale
Pour aller plus loin
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)