Migration vers ERTMS/ETCS : le niveau 1 virtuel

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L’ERTMS/ETCS est le système de signalisation ferroviaire européen, amené à remplacer tous les systèmes nationaux. Le principe de l’ETCS niveau 1 est de se superposer au système existant de signalisation latérale. Spécifié dans les années 1990, le niveau 1 peut être vu sous un nouvel angle aujourd’hui, grâce aux avancées technologiques. Découvrons dans cet article les enjeux du niveau 1 virtuel, et pourquoi il pourrait être une solution de migration vers ERTMS/ETCS.

Si vous n’êtes pas familier avec le système de signalisation européen ERTMS/ETCS, je vous recommande de lire en premier lieu l’article présentant ERTMS/ETCS.

L’angle mort : le temps de déploiement d’ERTMS/ETCS

ERTMS/ETCS a été conçu dans les années 1990, et ses premiers déploiements ont eu lieu dans la décennie 2000. Aujoud’hui, force est de constater que le système de signalisation européen ERTMS/ETCS peine à décoller. Alors qu’il est sensé remplacer les systèmes nationaux de signalisation, et faciliter l’intéropérabilité, le système européen 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%. Luc Lallemand, PDG de SNCF RESEAU, a confirmé que le déploiement de l’ERTMS/ETCS n’est pas une priorité en France. [1]

ERTMS figures

L’enjeu : créer l’amorce pour casser le cercle vicieux

Le déploiement de l’ERTMS fait face au problème de l’oeuf et de la poule. Pour que l’ensemble fonctionne, il faut avoir déployé l’ERTMS à la fois sur l’infrastructure sol, et sur les engins moteurs.

Pour cela, les gestionnaires d’infrastructure et les entreprises ferroviaires doivent partager des intérêts communs à réaliser le déploiement de manière synchronisée. Or la réalité est bien différente.

Les gestionnaires d’infrastructure ont beaucoup à faire en terme de rénovation et de modernisation de l’infrastructure. Leurs moyens sont parfois très limités. Les entreprises ferroviaires (historiques en particulier) ne voient pas l’intérêt d’équiper leurs engins moteurs existants. En effet, leurs trains sont déjà dotés de systèmes nationaux (comme le KVB ou la TVM). Ces systèmes nationaux représentent d’importantes barrières techniques à l’entrée sur un marché pour des entreprises ferroviaires concurrentes. Un train non équipé du KVB n’a pas l’autorisation de circuler en France à ce jour.

Pour circuler sur le réseau français des LGV et sur les autres parties du réseau ferré national, quatre systèmes de sécurité doivent être installés et paramétrés à bord des trains :

  • le système de signalisation et de sécurité interopérable européen, ERTMS (pour les voies du réseau de LGV équipées de ce système en France) ;
  • le système de signalisation et de sécurité français spécifique aux LGV françaises, développé à la fin des années 1970 et actualisé dans les années 1990, la TVM (Transmission Voie Machine) ;
  • le cas échéant, le système, spécifique au réseau de LGV français, de contrôle du bon positionnement des trains par GPS, le KARM (Contrôle d’ARMement de la TVM) ;
  • le système KVB (Contrôle de Vitesse par Balise) de signalisation et de sécurité spécifique au réseau ferroviaire français, nécessaire pour circuler sur la quasi-totalité du réseau et sur le réseau LGV pour réaliser certaines fonctions annexes et contrôler le fonctionnement effectif de la TVM.
Autorité de Régulation des Transports

Etude sur l'ouverture à la concurrence - Edition 2022

La problématique de l’oeuf et la poule énoncée ci-dessus repose sur ces deux perspectives :

  • Pour le gestionnaire d’infrastructure : « pourquoi devrais-je installer de l’ERTMS/ETCS sur mes voies, et conserver en parallèle les systèmes nationaux pendant des années le temps que les entreprises ferroviaires équipent leurs trains ? »
  • Pour les entreprises ferroviaires : « pourquoi devrais-je équiper mes trains d’ERTMS/ETCS, alors que les voies ne sont pas équipées, et que je dois alors garder à bord les systèmes nationaux? »

Casser ce cercle vicieux nécessite une amorce qui enclencherait une dynamique vertueuse. Elle doit permettre de :

  • Simplifier considérablement l’effort de déploiement pour le gestionnaire d’infrastructure,
  • Proposer des avantages aux entreprises ferroviaires : comme ne plus avoir besoin de systèmes nationaux, ou pouvoir utiliser le pilotage automatique.

L’amorce peut consister en une approche de l’ERTMS/ETCS radicalement nouvelle. Voyons comment les progrès technologiques permettent de l’envisager.

Le niveau 1 : la modernisation basée sur l’existant

L’ERTMS/ETCS niveau 1 permet la transmission ponctuelle d’informations. Il vient en superposition au système de signalisation latérale de la ligne. L’autorité de mouvement est générée au sol et transmise au bord par le biais de balises nommées Eurobalises.

Ce niveau permet le contrôle de vitesse (alerte puis application du freinage d’urgence en cas de survitesse), ainsi que la protection du dépassement de l’autorité de mouvement.

Comme le principe du niveau 1 est de venir en superposition à un système de signalisation latérale existant, une étude d’ingénierie est nécessaire. Cette étude met au point les données ETCS qui seront transmises par les balises au sol, en fonction de l’état du signal lumineux.

Les données réalisées lors de la phase d’ingénierie sont placées dans des codeurs. Ils sont reliés directement au signal, ou bien à l’enclenchement lorsque celui-ci s’y prête. Ces codeurs s’appellent LEU (Lineside Electronic Unit) et envoient à la balise, selon l’état du signal ou de l’enclenchement, la donnée ETCS associée qui a été déterminée lors de la phase d’ingénierie.

Le niveau 1 peut être complété de dispositifs de communication semi-ponctuels afin d’anticiper l’état du signal à l’approche du train. Ces dispositifs permettent de gagner en capacité sur approche d’un signal fermé, qui redeviendrait ouvert. Des émetteurs radio locaux (RIU) ou boucles inductives (Euroloop) peuvent être installés au niveau du signal où l’on souhaite faire de l’anticipation.

MERMEC ETCS L1

Le schéma ci-dessus représente la chaîne complète de l’information en partant du signal lumineux (via un signal LEU), ou bien de l’enclenchement (Interlocking LEU) jusqu’à l’afficheur ETCS en cabine du conducteur (DMI).

Crédit : MERMEC

Les principes détaillés du niveau 1 sont consultables dans l’article dédié à l’ERTMS/ETCS.

La virtualisation du niveau 1

Un contexte nouveau

Lors de la spécification de l’ERTMS/ETCS Niveau 1 dans les années 1990, l’état de l’art ne permettait pas de pouvoir récupérer l’état du signal de la signalisation latérale à bord. Les caméras et algorithmes d’analyse vidéo n’existaient pas pour servir ce cas d’utilisation. L’acquisition se fait donc par l’emploi de codeurs, les LEU. Par ailleurs, l’erreur cumulative des systèmes d’odométrie nécessite des balises afin de pouvoir se repositionner sur le plan de voie.

Aujourd’hui, le contexte est différent :

  • Le progrès en miniaturisation des caméras, d’augmentation de la puissance de calcul, et des améliorations significatives des algorithmes d’analyse vidéo, permettent de récupérer un état du signal sur la base de la perception visuelle.
  • La navigation embarquée, reposant sur la localisation par satellite et centrale inertielle, laisse envisager une réduction importante de balises à la voie, requises pour la correction odométrique.

Cela veut dire que le niveau 1 spécifié dans les années 1990, et reposant sur des équipements installés à la voie, peut être numérisé par des technologies actuelles : perception visuelle, algorithmes d’analyse vidéo, navigation embarquée, et cartographie du plan de voie.

Principes

Comme nous l’avons vu dans le paragraphe dédié au niveau 1, le principe est de reproduire l’état du signal dans une balise, via un codeur : le LEU. L’étude d’ingénierie réalisée en amont permet de créer l’ensemble des télégrammes ETCS possibles pour un signal donné, en fonction de son état.

Sur le schéma ci-dessus, nous avons un signal équipé d’un LEU et d’eurobalises permettant de transférer le télégramme ETCS. En fonction de l’état du signal, le LEU envoie aux balises le télégramme ETCS associé.

ETCS N1 physique

Crédit : ertms.net

En ETCS Niveau 1 virtuel, le train est équipé d’un système de perception des signaux, et d’un convertisseur. Ces nouveaux équipements peuvent être assimilés à un LEU et une balise. Le système de perception recherche dans l’environnement les signaux qui concernent le train, et transmet au système de conversion l’état du signal. Le système de conversion transforme l’état du signal en télégramme ETCS.

Dans cette approche, le processus et les métiers existants de la phase d’ingénierie de l’ETCS niveau 1 sont réutilisés. En effet : le concept de virtualisation du niveau 1 repose toujours sur le principe de superposition avec la signalisation latérale.

Ainsi, la première étape de la virtualisation du niveau 1 repose sur l’étude d’ingénierie, avec la création de l’ensemble des télégrammes ETCS possibles des signaux de la ligne. Plutôt que d’être enregistrées dans les LEU, les données ETCS peuvent être placées dans un serveur au sol : la cartographie numérique.

ETCS L1 virtuel serveur

La cartographie numérique contient toutes les données ETCS qui sont traditionnellement versées dans les LEU. Pour chaque signal de la cartographie, il existe l’ensemble des télégrammes ETCS possibles, ainsi que l’association télégramme ETCS versus aspect affiché par le signal.

Le train, équipé du système de perception visuelle, recherche dans l’environnement l’état du prochain signal. La cartographie contient les propriétés des signaux : leur position, leur forme. Ces propriétés permettent d’augmenter la performance de la perception. Une fois l’état du signal déterminé par le système de perception, un convertisseur à bord, et connecté à la cartographie, associe l’état du signal envoyé par la perception visuelle, à un télégramme ETCS issu du serveur de cartographie. Le convertisseur envoie alors le télégramme ETCS à l’ETCS-BORD.

La perception visuelle présente l’avantage d’identifier l’état du signal parfois bien en amont de celui-ci. L’information peut-être utilisée en anticipation, comme avec l’emploi des dispositifs d’anticipation du niveau 1 (Euroloop ou RIU).

L’utilisation d’un système de navigation embarquée réduit l’installation de balises de relocalisation à la voie. L’erreur de positionnement n’est pas cumulative dans le temps, contrairement aux odométries utilisées aujourd’hui.

Les équipements au sol permettant le niveau 1 sont virtualisés. Le déploiement de l’ETCS de niveau 1 au sol repose essentiellement sur des études d’ingénierie, et des données hébergées dans un serveur de cartographie.

ETCS L1 virtual

Le cas des signaux à visibilité réduite

Certains signaux peuvent présenter une visibilité réduite. Cela n’est pas un problème si le signal est protégé par un système national : le conducteur sera pris en charge en cas de dépassement du signal au rouge. En revanche, si la protection est basée sur la perception, alors la visibilité réduite du signal doit être traitée d’une autre manière.

L’astuce ici est d’utiliser les éléments de transmission offerts par le niveau 1. En effet, l’ETCS niveau 1 virtuel reste avant tout du niveau 1. Cela signifie que les signal LEU, Eurobalises, Euroloop et RIU peuvent tout à fait être déployés sur les quelques signaux problématiques ! Les études d’ingénierie en amont peuvent à la fois servir un déploiement physique et un déploiement virtuel.

ETCS L1 hybride

Situation présentant un signal à mauvaise visibilité.

La perception est désactivée. L’information d’état du signal, et donnée ETCS associée, est transmise par l’Eurobalise à la voie, reliée au codeur (LEU).

Les équipements nécessaires

Afin de protéger un train avec le concept d’ETCS niveau 1 virtuel, de nouveaux équipements sont nécessaires.

Côté infrastructure, le matériel nécessaire est le suivant :

  • Serveur de cartographie contenant les données ETCS identifiées lors de la phase d’ingénierie,
  • Eurobalises de relocalisation,
  • Signal LEU, Eurobalises, Euroloop ou RIU, pour les signaux pouvant présenter une visibilité réduite.

Côté bord, l’entreprise ferroviaire doit investir dans :

  • L’ETCS Bord
  • Le système de perception et d’interprétation de la signalisation latérale (nouveau)
  • Le système de navigation (nouveau)

Quelles différences par rapport au niveau 1 actuel ?

Du point de vue de l’infrastructure, déployer aujourd’hui de l’ETCS niveau 1 repose sur les activités suivantes :

  • Etudes d’ingénierie pour créer les données ETCS, et les faire certifier,
  • Etudes d’installation pour identifier comment déployer les équipements ETCS à la voie,
  • Achat et installation des équipements ETCS à la voie (génie civil),
  • Essais et mise en service.

Le déploiement peut impacter les circulations, il peut même nécessiter des fermetures de la ligne. Les travaux doivent se planifier longtemps en avance. Parfois, l’installation de l’ETCS peut affecter des systèmes existants qui doivent être adaptés.

En comparaison, le déploiement de l’ETCS niveau 1 virtuel repose sur :

  • Les études d’ingénierie pour créer les données ETCS, et les faire certifier,
  • Un serveur de données (la cartographie numérique),
  • Pour les signaux à visibilité réduite, les équipements du niveau 1 actuel,
  • Et en fonction des performances de la navigation embarquée, des Eurobalises de relocalisation.

Par conséquent, du point de vue du gestionnaire d’infrastructure, le niveau 1 virtuel présente un effort de déploiement essentiellement basé sur la donnée. La différence significative repose sur la nécessité de disposer d’un lien radio sol/bord, afin de récupérer les données ETCS hébergés sur le serveur de cartographie. La couverture radio peut néanmoins être partielle, car les données ETCS peuvent être récupérées en avance de phase par le bord, et conservées en mémoire cache.

Le futur système de communication ferroviaire FRMCS pourrait être utilisé. FRMCS présente l’avantage d’utiliser des réseaux publics ou privés, ce qui veut dire que les réseaux 4G/5G grand public pourraient servir l’ETCS niveau 1 virtuel.

Pour l’entreprise ferroviaire, le niveau 1 virtuel nécessite plus d’équipements à bord. Ce surcoût peut être mis en perspective avec les opportunités que peut offrir le concept.

Les perspectives offertes par le niveau 1 virtuel

Un outil de migration vers ETCS niveau 3

L’ETCS Niveau 3 repose sur l’absence totale d’équipements à la voie. Le bord détermine sa localisation sur le plan de voie, et vérifie qu’il est bien intègre. Le Radio Block Center (RBC) au sol connaît la position et l’intégrité de tous les trains, et leur transmet leurs autorisations de mouvement.

Le niveau 3 représente un objectif de long terme pour certains réseaux ferroviaires, car il permet de rendre l’infrastructure plus légère. L’absence de systèmes de détection des trains (circuits de voie ou compteurs d’essieux), fait qu’il n’existe plus de découpage physique de la ligne en cantons. Cela permet d’utiliser le principe de canton mobile, et d’augmenter la capacité de la ligne sans surcoût. En 2022, le niveau 3 reste au stade de recherche et de développement.

ERTMS L3

Schéma de représentation du niveau 3. Le train est équipé d’une surveillance d’intégrité. Sur ce schéma, des balises de relocalisation sont installées sur la voie.

Crédit : ertms.net

Comparé au niveau 3, le niveau 1 virtuel présente les caractéristiques suivantes :

  • Il repose sur l’infrastructure existante, car il vient s’y superposer. Les circuits de voie et/ou compteurs d’essieux, les enclenchements et la signalisation latérale actuels peuvent être conservés en l’état ou bien modernisés si la ligne fait l’objet d’une régénération.
  • Le niveau 1 virtuel reste contraint par les équipements existants, et ne permet pas d’utiliser le principe de canton mobile.
  • L’activité d’ingénierie et le concept de serveur de cartographie sont des éléments connus et dont la faisabilité technique semble accessible.

Le niveau 1 virtuel partage des caractéristiques communes au niveau 3 :

  • Une communication sol/bord est nécessaire : la ligne doit être couverte par le service radio. La solution FRMCS permet d’utiliser un réseau radio privé ou bien public si la ligne est déjà couverte en 4G/5G pour un opérateur telecom.
  • Un nombre réduit d’Eurobalises pour le repositionnement, si les trains sont équipés d’un système de navigation pour déterminer leur position sur le plan de voie.

Le niveau 1 virtuel représente une solution permettant une migration plus rapide vers le niveau 3 quand il sera industrialisé. En effet, les trains auront déjà été équipés d’une partie des éléments nécessaires (un ETCS-Bord, la navigation et un modem radio), et le sol pourra avoir été équipé en radio.

ATO over ETCS-Onboard

ATO over ETCS est le système de pilotage automatique de l’ETCS. Il permet la traction et le freinage automatique, en présence d’un conducteur. La solution ATO offre à l’exploitant une meilleure adhérence à la table horaire, et des économies d’énergie par une conduite optimisée. Tel que conçu en 2022, le système ATO over ETCS n’est pas utilisable sur des lignes sans ERTMS/ETCS.

Le niveau 1 virtuel vient émuler la présence d’ERTMS/ETCS sur les voies. Ainsi, le niveau 1 virtuel permet d’utiliser la solution ATO over ETCS, sur des lignes sans ERTMS/ETCS.

Cette solution ATO over ETCS-Onboard permet de rendre très attractif l’installation de l’ETCS sur les engins moteurs. Avec cette solution ETCS niveau 1 virtuel, en plus de pouvoir protéger le train, l’ETCS-Bord ouvre la conduite automatique sur toute ligne équipée de signalisation latérale.

Je parle en détail de cette opportunité dans cet article.

Avantages et défis

Cette nouvelle approche du niveau 1 présente des caractéristiques notables :

  • Elle réutilise les mêmes principes du niveau 1 actuel, mais intégralement numérisés. Le gestionnaire d’infrastructure peut ainsi ‘virtuellement’ équiper des voies en ETCS niveau 1, sans devoir faire appel à du génie civil.
  • Pour des signaux présentant des cas particuliers, ou une difficulté de perception, il est possible d’installer une Eurobalise avec un codeur (LEU). Le niveau 1 virtuel étant avant tout du niveau 1, il reste possible d’utiliser les autres moyens de transmission à notre disposition quand la perception n’est pas suffisante !
  • Le déploiement virtuel du niveau 1 repose uniquement sur des études d’ingénierie et sur l’alimentation en données d’un serveur au sol (la cartographie numérique). C’est un processus fortement automatisable, et déployable à large échelle, en comparaison d’une installation physique (équipements à la voie).
  • Par extension, le niveau 1 virtuel permet de supprimer l’utilisation des systèmes nationaux. Il représente donc une formidable opportunité pour les entreprises ferroviaires (notamment de fret), qui ont opté pour le renoncement compte tenu de la complexité technique et du coût élevé d’équiper les locomotives avec N systèmes nationaux.
  • Le niveau 1 virtuel permet d’adresser les lignes de desserte fine du territoire, équipées en signalisation latérale, et pour lesquelles un déploiement de l’ERTMS/ETCS (quel que soit le niveau) est discutable.
  • Le système ATO over ETCS peut être utilisé pour faire de la conduite automatique en GoA2, et plus tard en GoA3/GoA4, sur toute ligne équipée de la signalisation latérale.

Néanmoins, qui dit nouveau concept ERTMS/ETCS afin de protéger le train, dit sécurité. Aujourd’hui, les systèmes ERTMS/ETCS sont des équipements de sécurité certifiés SIL4. Le nouveau système étudié ici repose donc sur des postulats de départ, lesquels sont :

  • Le serveur de cartographie numérique et les données ERTMS/ETCS sont de sécurité,
  • Le dispositif de navigation embarqué est de sécurité,
  • Le système de perception des signaux est de sécurité.

Ces postulats sont aujourd’hui partiellement validés par l’état de l’art. Créer et maintenir des données statiques en sécurité est déjà réalisé aujourd’hui pour l’ERTMS/ETCS, il n’y a donc pas de difficulté particulière.

Concernant le dispositif de navigation et de perception, ce sera le défi des industriels de concevoir et développer des produits de sécurité.

Conclusion

Il y a plus de 20 ans, les seules options technologiques pour déployer de l’ETCS niveau 1 reposaient sur l’acquisition physique de l’information de signalisation existante (à l’aide de LEU). Ces équipements représentent un coût à l’achat, à l’installation, et en maintenance.

Chaque projet de déploiement de l’ETCS niveau 1 est totalement adhérent à la ligne sur laquelle le système est installé, de part la nécessité de mener des études d’ingénierie d’installation des équipements et du nombre d’équipements à utiliser. Le coût de l’augmentation de la capacité en niveau 1 est directement proportionnel au nombre d’équipements à installer physiquement (Euroloop, RIU).

En 2022, les principes du niveau 1 peuvent être réutilisés avec une toute nouvelle approche : la perception visuelle des signaux directement à bord. Combinée aux nouvelles technologies que sont la cartographie numérique et la navigation embarquée, la perception visuelle des signaux permet une virtualisation totale d’un déploiement de l’ETCS niveau 1. Elle peut être complétée par l’installation d’équipements physiques à la voie, pour des situations complexes, ou des signaux présentant une visibilité réduite.

Cette approche, intégralement basée sur les données et sur le logiciel, ouvre une opportunité notable pour accélérer le déploiement d’ERTMS/ETCS sur les corridors européens de fret et de passagers. De plus, elle rend possible l’utilisation de la conduite automatique ATO over ETCS sur toute ligne équipée de signalisation latérale. Dit autrement, le niveau 1 virtuel permet le déploiement, et surtout une utilisation à large échelle, d’une solution permettant de réduire la consommation d’énergie des trains.

Enfin, elle répond aussi à un besoin de signalisation frugale sur les lignes de desserte fine du territoire. En particulier les lignes équipées de signalisation latérale, où une modernisation profonde pour déployer de l’ERTMS/ETCS est discutable.

Article suivant : le STM logiciel.

Pour aller plus loin

  • La spécification de l’ERTMS/ETCS : le SUBSET-026

Crédit photo de couverture : Bastian SIMONI

Références :

SUBSET 026

[1] Ville, Rail et Transports. Numéro 646