Pilotage automatique des trains

Le pilotage automatique des trains est une fonction qui tractionne et freine automatiquement le train, en respectant la signalisation, et en suivant les horaires de la mission à opérer. En plus d’apporter des gains en consommation d’énergie, le pilotage automatique permet d’uniformiser la conduite d’une flotte de trains sur une ligne, permettant de réduire les marges horaires, et ainsi d’injecter davantage de trains. Découvrons les principes du pilotage automatique des trains, son historique et son avenir avec une solution européenne interopérable.

Pour une bonne compréhension des notions abordées dans cet article, je vous invite à lire en premier lieu la page présentant la protection automatique des trains.

Dernière mise à jour : Décembre 2024.

Contenu

• Introduction
  • Les aides à la conduite
    • Le cruise control
    • Le DAS
  • Vers le GoA2
• Le GoA2, le pilotage automatique en présence d’un conducteur
  • Les principes de l’ATO
  • Les bénéfices apportés par le pilotage automatique
    • Par ici les économies !
    • Le gain de capacité d’une ligne
    • La réactivité dans l’exploitation
  • Le GoA2 : les débuts avec le métro
    • Historique
    • Le CBTC
  • Le suburbain : le nouveau terrain de jeu du GoA2
    • Le RER A : le premier cas d’application du GoA2 en suburbain en France
    • Le RER E et le système NExTEO : un compromis entre performance et interopérabilité
• Synthèse

1. Introduction

Après avoir découvert les niveaux d’automatisation possibles dans le ferroviaire, nous avons compris que le GoA1 correspond à la supervision de la circulation ferroviaire par un système de protection automatique des trains (ATP, Automatic Train Protection).

Parfois, en plus de proposer l’ATP, le GoA1 peut également proposer des systèmes d’aides à la conduite. Ces systèmes ne sont pas encore du pilotage automatique, mais s’en rapprochent, en proposant au conducteur des informations permettant d’optimiser la traction et le freinage.

1.1 Le GoA1 et les aides à la conduite

1.1.1 Le cruise control

Le régulateur de vitesse (cruise control) est une fonction de confort parfois proposée au conducteur.

Citons par exemple :

• En France : la vitesse imposée (VI), un automatisme qui suit une vitesse cible, renseignée par le conducteur. Cet automatisme n’étant pas asservi par l’ATP, il peut à tout moment déclencher une prise en charge par l’ATP, si la vitesse imposée dépasse la vitesse limite autorisée par l’ATP.
• En Allemagne : l’AFB (Automatische Fahr- und Bremssteuerung), qui, combiné à l’ATP allemand dédié à la grande vitesse LZB, tractionne et freine le train, en suivant la vitesse limite imposée par l’ATP. Ainsi, la connexion entre l’ATP et cruise control permet d’éviter toute prise en charge par l’ATP.

1.1.2 Le DAS

Le DAS (Driver Assistance System) est un dispositif numérique d’aide à la conduite des trains. Il indique au conducteur en temps réel comment il doit conduire son train (indications de traction et de freinage), selon :

• La position du train sur le plan de voies (le DAS est en général une appli installée sur une tablette, équipée d’un récepteur GPS),
• Les propriétés du plan de voies (rampes, pentes, courbes),
• Les horaires à respecter pour le bon déroulement de la mission.

L’application DAS installée sur la tablette récupère les données de mission auprès du système de gestion du trafic. Cette récupération peut être ponctuelle (par exemple une fois par jour) ou bien continue. Lorsque le DAS récupère de manière continue les données de mission, on parle de DAS connecté (C-DAS : Connected DAS).

Le DAS est un outil intéressant pour accompagner les conducteurs dans la mise en oeuvre de l’écoconduite, en roulant le plus possible en marche sur l’erre (c’est à dire rouler sans traction – roue libre). En France, c’est l’outil Opticonduite qui est utilisé.

De nombreuses entreprises ferroviaires ont équipé leurs conducteurs de tablettes, équipés d’applications offrant la fonctionnalité DAS. Cette situation n’est pas sans rappeler celle des ATP, qui se sont multipliés partout dans l’Union européenne, sans la moindre harmonisation.

Afin de ne pas reproduire les mêmes erreurs qu’avec les ATP, l’Union Internationale des Chemins de Fer (UIC), a entamé un processus de standardisation des DAS connectés (C-DAS), et plus particulièrement de l’interface entre le bord et le sol : le fameux airgap.

Ainsi, le protocle SFERA a été mis au point, afin de proposer un C-DAS interopérable, avec un airgap standardisé. Ceci est possible par l’introduction d’une application C-DAS au sol, qui permet de faire l’adaptation du système de gestion de trafic existant, vers le format standard. La connexion entre C-DAS Bord et C-DAS Sol se fait le plus souvent par le réseau mobile grand public.

De cette façon, lorsque le train passe une frontière, le C-DAS à bord du train se déconnecte du C-DAS Sol du pays A, pour se connecter au C-DAS Sol du pays B, et récupérer les informations de mission du pays B.

En 2024, de nombreuses entreprises ferroviaires, ainsi que des gestionnaires d’infrastructure, ont démarré la migration de leurs DAS spécifiques, vers des C-DAS interopérables conformes au protocole SFERA. Ceci permettra l’utilisation continue du C-DAS pour des trajets internationaux.

1.2 Vers le GoA2

Dans cette introduction, nous avons compris que le GoA1 ne se limite pas uniquement à la supervision de la conduite. Des systèmes d’aide à la conduite peuvent également être proposés en GoA1. Citons :

• La régulation automatique de vitesse, le cruise control, qui peut être asservie par l’ATP, ou non,
• Le DAS, qui indique au conducteur comment celui-ci peut conduire de la meilleure manière possible son train, selon les horaires de la mission afin de réaliser des économies d’énergie. Le DAS ayant été rapidement adopté par les entreprises ferroviaires pour faire des économies d’énergie, mais sans la moindre harmonisation, l’UIC a lancé un travail de standardisation de l’airgap, avec le protocole SFERA. Ceci afin de permettre l’utilisation du même DAS, dans différents pays, et donc de permettre le passage de frontières sans rupture.

La transition de GoA1 à GoA2 se fait par l’utilisation d’un automatisme, qui repart des fonctions des cruise control et C-DAS, pour piloter directement le train : c’est l’ATO (Automatic Train Operation). Découvrons l’ATO et les principes du GoA2 dans le chapitre suivant.

2. Le GoA2, le pilotage automatique en présence d’un conducteur

2.1 Les principes de l’ATO

En GoA2, c’est donc un dispositif nommé ATO, qui réalise les commandes de traction et de freinage du train. Le conducteur est présent en cabine, et est responsable de :

• l’engagement de l’ATO,
• la surveillance de l’échange voyageurs en station,
• la surveillance de la voie, notamment en cas d’obstacle,
• la gestion de toute situation dégradée.

Le rôle de l’ATO est de tractionner et freiner le train. Pour ceci, il se base sur un certain nombre de données d’entrée :

• La signalisation applicable au train : l’ATO doit inscrire sa conduite dans les prescriptions de la signalisation. S’il ne respecte pas la signalisation, alors l’ATO provoquera l’intervention de l’ATP, comme en GoA1.
• Les horaires de la mission à respecter : c’est l’équivalent de la fiche horaire en GoA1. Avec les horaires, l’ATO sait à quelle heure il doit passer à tel endroit.
• Les données du plan de voies : c’est la description des voies que l’ATO va emprunter. Avec ces informations, l’ATO « voit loin » et peut anticiper sa manière de piloter le train.
• Les propriétés du train, comme la longueur, la masse, les caractéristiques de freinage… Avec ces données, l’ATO peut adapter sa conduite selon la typologie de convoi.
• Le style de conduite : il s’agit de la manière dont l’ATO a été optimisé, pour produire un style de conduite optimum selon le type de train et de mission à réaliser. Le style de conduite est un élément de différenciation parmi les industriels, et représente un véritable savoir faire.

En sortie, l’ATO va commander la traction et le freinage du train. Il va également envoyer un rapport périodique à la gestion de trafic au sol, sur le statut actuel de l’exécution de la mission : à l’heure, en avance, en retard. Ce rapport périodique ferme la boucle de régulation de la gestion du trafic, et permet une optimisation globale de l’exploitation.

On comprend que l’ATO requiert de nombreuses données d’entrée, pour réaliser sa fonction de traction et freinage automatique. Pour récupérer toutes ces informations, l’ATO est en interface avec :

• Un système de gestion du trafic, appelé TMS (Traffic Management System) qui procure à l’ATO les données horaires et de plan de voies actualisées. Cette liaison continue permet à l’ATO d’avoir à tout instant le plan d’exécution à jour. En retour, l’ATO envoie périodiquement le statut d’exécution de la mission. Cette interface est dédiée à l’exploitation : elle permet aux superviseurs en centre de contrôle, d’avoir une vue globale sur les trains équipés d’ATO sur une ligne. En cas de perturbations, les superviseurs peuvent prendre des décisions qui s’appliquent immédiatement aux ATO concernés, par l’envoi d’une mise à jour des horaires,
• L’ATP, qui procure à l’ATO les informations de signalisation applicables,
• Le conducteur, qui interagit avec l’ATO (pour renseigner les données train, engager ou désengager l’ATO par exemple),
• Le train, par le biais de son système de contrôle-commande, le TCMS (Train Control & Monitoring System). C’est par cette interface que l’ATO envoie les commandes de traction et de freinage.

2.2 Les bénéfices apportés par le pilotage automatique

2.2.1 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 !

Un autre gisement d’économies réside dans l’usure du matériel roulant. Par une conduite optimisée, l’ATO peut réduire l’usure du train, et ainsi réduire les frais de maintenance.

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 l’ATO 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.

2.2.2 Le gain de capacité d’une ligne

Si l’ensemble des trains d’une ligne donnée est équipé d’ATO, et qu’ils sont tous engagés, alors la manière de conduire de la flotte de trains est homogène. Ainsi, il n’existe plus de disparités dans la manière de conduire les trains, et la dispersion horaire dans le plan d’exécution est réduite.

De plus, l’ATO peut conduire au plus près des limitations de l’ATP, et bien plus finement qu’en conduite manuelle.

La combinaison de ces deux facteurs libère des capacités supplémentaires sur une ligne, qui peuvent être utilisées en injectant davantage de trains dans la table horaire.

Note : le type d’ATP et les principes de gestion d’espacement sous-jacents sont un facteur supplémentaire de gains de capacités, dont l’ATO tire pleinement partie. Pour plus de détails, voir cette section de l’article ERTMS/ETCS.

2.2.3 La réactivité dans l’exploitation

L’interface numérique entre l’ATO et le TMS permet à l’exploitation d’être très réactive (et même proactive), en cas de perturbations sur le réseau.

En effet, le TMS connaît la table horaire théorique à exécuter. Il connait par ailleurs le statut de tous les ATO qu’il supervise, grâce au statut envoyé périodiquement par l’ATO vers le TMS.

Avec ces informations, le TMS peut identifier de potentielles perturbations à venir sur le réseau, si un train est en avance ou bien en retard sur son horaire (via l’information du statut ATO). Ainsi, les superviseurs, aidés du TMS, peuvent optimiser en temps-réel l’exploitation de la ligne, en envoyant des mises à jour de missions aux ATO concernés.

Le duo ATO-TMS est un exemple emblématique des gains en réactivité d’exploitation offerts par l’informatisation, la numérisation et l’automatisation du système ferroviaire.

2.3 Le GoA2 : les débuts avec le métro

2.3.1 Historique

L’ATO a un historique important dans le monde du métro. Les premiers métros ont été équipés du pilotage automatique dès les années 1960.

A cette époque, les systèmes étaient analogiques. Le métro tractionnait et freinait automatiquement selon un profil de conduite enregistré à l’avance dans des tapis au sol. C’était le principe utilisé par le système PA 135 de la RATP. A noter qu’en 1979, 90% du réseau de métro parisien était équipé du pilotage automatique. [4]

2.3.2 Le CBTC

Les systèmes analogiques ont été progressivement rendus obsolètes par l’arrivée de solutions numériques dans les années 1990. Le système utilisé majoritairement aujourd’hui par les métros s’appelle CBTC (Communication based train control). C’est un système intégré, avec un lien radio permanent entre le métro et les installations au sol. Il propose la fonction d’ATP, d’ATO, ainsi que la fonction de supervision et de gestion du trafic (TMS). Les systèmes de signalisation fondamentaux comme les enclenchements et la détection des trains peuvent faire partie du CBTC.

Le CBTC est la plupart du temps un système intégré, où le même industriel procure ATP, ATO et TMS. Un système intégré offre l’avantage à l’industriel de maîtriser la conception de sa solution globale, et d’effectuer les arbitrages techniques nécessaires, pour que l’ensemble du système atteigne les performances requises.

En revanche, un système intégré est par définition un système propriétaire. En conséquence, l’opérateur et l’infrastructure se retrouvent dépendants de l’industriel ayant procuré la solution de CBTC. Il s’agit de vendor lock-in.

Dans le cadre d’une ligne de métro, cela ne pose pas nécessairement de difficultés. En effet, la ligne de métro étant un périmètre bien délimité, avec un matériel roulant affecté à cette ligne, un système intégré fait sens : la priorité va à la performance. Et dans le contexte du métro, la performance est l’intervalle entre deux métros, permettant un nombre élevé de passagers par heure et par sens (PPHPD).

En revanche, sur le réseau ferré national, mettre en place une solution propriétaire est impossible. En effet, l’ensemble des réseaux ferrés nationaux de l’Union, conformément à la Directive 797/2016, doivent tendre vers l’espace ferroviaire européen unique. Ainsi, sur le réseau ferré national, c’est l’interopérabilité la priorité.

Nous allons le voir avec le nouveau terrain de jeu du pilotage automatique : le suburbain et les RER, qui circulent en partie sur le réseau ferré national.

2.4 Le suburbain : le nouveau terrain de jeu du GoA2

2.4.1 Le RER A : le premier cas d’application du GoA2 au suburbain en France

Avec 308 millions de voyageurs par an, et 50 000 voyageurs par heure dans le tronçon central (par sens et en pointe), le RER A est une ligne très chargée, et importante pour le système de transport collectif en Île-de-France. [5]

Pour répondre à la hausse de fréquentation, et augmenter la performance sur le tronçon central, le RER A a d’abord été équipé en 1989 d’un ATP offrant fonction de signalisation de cabine : le SACEM. En 2018, le pilotage automatique sur SACEM a été mis en place sur le tronçon central, entre Nanterre-Préfecture et Val-de-Fontenay / Fontenay-sous-Bois, où la fréquentation est la plus élevée.

Ainsi, après avoir été longtemps utilisé pour les métros, le pilotage automatique fait son entrée dans le monde du surburbain avec les RER. [6]

Charge voyageurs sur chaque branche. Nous observons que la charge voyageurs est la plus élevée sur le tronçon central, où SACEM, puis le pilotage automatique, ont été déployés. Source

L’introduction du pilotage automatique sur SACEM en 2018 offre, selon le constructeur, une amélioration de la régularité et un gain de temps de 2 min sur le parcours moyen entre les stations de Vincennes et La Défense. [6]

Pour autant, SACEM est un système propriétaire mis en place en 1989, et l’ATO compatible avec SACEM, déployé sur les trains du RER A, reste un produit spécifique. Ainsi, déployer ce type de systèmes propriétaires pour d’autres RER ne fait plus sens aujourd’hui, puisque l’interopérabilité est nécessaire. Découvrons quelle solution a été imaginée sur le RER E, pour répondre à cet impératif.

2.4.2 Le RER E et le système NExTEO : un compromis entre performance et interopérabilité

Nous avons vu que le CBTC est une solution intéressante pour augmenter la capacité d’une ligne, en combinant les fonctions ATP/ATO/TMS. Cette intégration des fonctions dans une solution globale, laisse des degrés de liberté à l’industriel, pour concevoir au mieux son système, et ainsi répondre aux requis de performance du client.

En revanche, le CBTC est propriétaire, et ne peut pas être installé sur le réseau ferré national. En effet, le réseau ferré national doit s’insérer dans l’espace ferroviaire unique européen. Par conséquent, un seul type d’ATP doit être utilisé, l’ATP standard européen : ERTMS/ETCS.

Les ATP nationaux installés avant la création d’ERTMS/ETCS, sont des systèmes de classe B. Lors de la création d’ERTMS/ETCS, il a été prévu de le rendre compatible avec les systèmes de classe B, ceci afin de permettre une cohabitation entre les systèmes, durant la migration. Pour mieux comprendre cet aspect, je vous renvoie à ce paragraphe de l’article sur ERTMS/ETCS.

Dans le cas du RER E, nous avons un tronçon central dans Paris, qui ne verra passer que des trains du RER E, et des tronçons en dehors de Paris, qui relèvent du réseau ferré national. Or c’est sur le tronçon central que le besoin en capacité sera le plus important, similairement au RER A.

Carte de la ligne du RER E. Source

Partant de ce constat, appliquons le raisonnement suivant :

• Le tronçon central est assez isolé du réseau ferré national, ne verra passer que des trains du RER E, et pourrait être équipé d’un CBTC,
• Le réseau ferré national doit faire partie de l’espace ferroviaire unique européen, avec l’ATP ERTMS/ETCS,
• ERTMS/ETCS peut être utilisé en cohabitation avec un système de classe B, via le module STM,
• Si le CBTC est considéré comme un système de classe B, il peut cohabiter avec ERTMS/ETCS,
• Par conséquent, les trains du RER E, qui circulent à la fois sur le réseau ferré national, et le tronçon central, pourraient être équipés d’ERTMS/ETCS (obligatoire pour tout train neuf aujourd’hui), et d’un CBTC système de classe B.

Ce raisonnement a donné naissance à NExTEO, un concept générique de CBTC, approuvé comme système de classe B par l’agence européenne du rail (ERA). Cette approbation n’étant valable que pour la région parisienne. [7]

Ainsi, NExTEO est un concept intéressant, en ce sens où il permet de profiter des avantages offerts par le CBTC, pour des zones du réseau ferré où la fréquentation est très élevée, et qui peuvent faire l’objet d’un déploiement d’un système de classe B NExTEO (Île-de-France). La compatibilité avec ERTMS/ETCS permet la cohabitation du CBTC et d’ERTMS/ETCS à bord des trains.

Ce concept peut s’appliquer dans des contextes de tronçon central traversant Paris, comme les RER A et E. C’est pourquoi NExTEO va également être déployé sur les RER B et D. [8]

En revanche, pour des RER qui utilisent totalement le réseau ferré national, et où un système propriétaire est impossible à mettre en oeuvre (l’approbation de NExTEO par l’ERA n’étant valable qu’en Île-de-France), nous avons besoin d’un système de pilotage automatique standardisé et interopérable. C’est là qu’entre en jeu ERTMS/ATO.

Synthèse

En niveau d’automatisation GoA1, des aides à la conduite existent permettant la régulation de vitesse, ou encore l’affichage de recommandations de conduite, afin de pratiquer l’éco-conduite. Le tout en étant constamment supervisé par le système de protection du train, l’ATP.

C’est en GoA2, qu’un dispositif permet de piloter automatiquement le train, en prenant en compte un ensemble d’informations en entrée, entre autres les horaires de la mission, ainsi que la signalisation à respecter.

Le pilotage automatique offre des bénéfices clairs. Il permet de réduire la consommation d’énergie par une conduite optimisée. De plus, il permet d’uniformiser la conduite d’une flotte de trains, ce qui réduit la dispersion horaire dans le plan d’exécution. Cela dégage des capacités supplémentaires, qui peuvent être utilisées pour injecter plus de trains.

Ces bénéfices ont motivé l’introduction du pilotage automatique dans les milieux assez homogènes et fermés : les métros. Des systèmes intégrés et propriétaires nommés CBTC y sont massivement utilisés. Pour autant, le CBTC n’est pas utilisable sur le réseau ferré national, car l’interopérabilité est obligatoire. C’est ainsi que le pilotage automatique interopérable a été mis au point : c’est ERTMS/ATO.

Crédit photo de couverture : Bastian Simoni.

Références :

[1] https://securite-ferroviaire.fr/la-securite-ferroviaire/comprendre-la-securite-ferroviaire
[2] https://www.ertms.net/wp-content/uploads/2021/07/ERTMS_Factsheet_8_UNISIG.pdf
[3] https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32016R0919
[4] https://voie-libre.com/wp-content/uploads/2024/02/DP-le-groupe-RATP-leader-mondial-du-metro-automatique.pdf
[5] https://www.ratp.fr/travaux-ete-rer/les-chiffres-cles-du-rer
[6] https://www.alstom.com/fr/press-releases-news/2017/5/alstom-a-debute-avec-succes-la-mise-en-service-du-pilotage-automatique-sur-le-rer-a
[7] https://voie-libre.com/wp-content/uploads/2022/12/List-of-CCS-Class-B-systems.pdf
[8] https://www.alstom.com/fr/press-releases-news/2023/11/alstom-remporte-un-contrat-de-300-millions-deuros-pour-equiper-2-lignes-rer-en-ile-de-france-avec-la-derniere-technologie-de-signalisation-nexteo
[9] https://www.alstom.com/fr/press-releases-news/2020/12/sncf-et-ses-partenaires-font-circuler-le-premier-train-semi-autonome
[10] https://railenium.eu/de-nouveaux-essais-reussis-pour-le-train-autonome/
[11] https://rail-research.europa.eu/system_pillar/why-a-ccs-focus/