Train autonome : du GoA2 au GoA4

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Alors que le premier train de fret autonome circule depuis 2018 dans le désert australien, des expérimentations sont en cours pour tester l’autonomie GoA4 sur le réseau ferré national français. En parallèle, le train autonome fait l’objet d’une standardisation européenne, qui aboutira entre 2026 et 2029. Les challenges tant techniques qu’opérationnels sont nombreux. Découvrons-les dans cet article !

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

Dernière mise à jour : 05/02/2023.

Temps de lecture : 22 min

La base du train autonome : ATO over ETCS

La conduite automatique des trains en GoA2 est possible grâce au système standard ATO over ETCS. Défini durant la décennie 2010, ce système intègre la révision 2022 de la Spécification Technique d’Intéropérabilité – Contrôle-Commande et Signalisation. ATO over ETCS devient ainsi l’unique solution de conduite automatique en Union Européenne, afin de permettre l’interopérabilité et l’interchangeabilité des composants.

Par définition, ATO over ETCS est couplé avec le système de signalisation ETCS. Une étude en cours vise à permettre d’utiliser la solution ATO over ETCS sur des lignes non équipées ETCS, en s’appuyant notamment sur la signalisation latérale.

Le passage de GoA2 à GoA4 repose sur la réutilisation au maximum de la solution ATO over ETCS. L’objectif est de compléter cette solution, avec les nouveaux composants permettant de faire de la conduite automatique sans personne en cabine (GoA3) et sans personne à bord (GoA4).

GoA Levels SNCF
Niveaux d’autonomie. Crédit : SNCF.

Les nouvelles fonctions du train autonome GoA4

La perception de l’environnement physique

La première des fonctions nouvelles en GoA3/GoA4 est la perception de l’environnement extérieur au train. Il s’agit de pouvoir détecter notamment :

  • Tout type d’objet ou personne sur les voies pouvant faire obstacle aux circulations ferroviaires
  • Tout type d’objet ou personne non habilitée se trouvant dans les emprises ferroviaires et pouvant constituer un danger

Cette perception se fait principalement à l’aide de caméras et de systèmes de vision par ordinateur (computer vision). Les sons peuvent également être perçus, tout comme les vibrations. La perception intérieure du train peut se faire pour le service voyageurs, afin de détecter toute situation anormale (rixes).

Une fois l’environnement perçu, le challenge réside dans la caractérisation de ce qui a été perçu : c’est-à-dire y mettre une définition, un sens. Pour la vision par ordinateur, les algorithmes utilisent l’apprentissage afin de reconnaître et classer les objets. Pour les sons et les vibrations, il est nécessaire d’avoir une signature sonore / vibratoire comme point de départ. Comment le système pourrait-il par exemple reconnaître un coup d’avertisseur sonore (le klaxon des trains), si on ne lui a pas donné au préalable la forme du signal sonore ?

Capteurs sur le Train de Fret Autonome
Ensemble de capteurs sur la locomotive du projet Train de Fret Autonome.

Crédit photo : Bastian Simoni.

La prise de décisions

Lorsque des évènements ou des aléas sont perçus dans l’environnement, des prescriptions règlementaires peuvent exiger des actions associées. Un exemple : lorsqu’un obstacle se trouve sur la voie, alors le freinage d’urgence doit immédiatement être appliqué.

La deuxième grande fonction du GoA3/GoA4 est donc la prise de décisions sur évènements et aléas. Celle-ci peut faire l’objet d’approches techniques différentes :

  • Déterministe : telle action est déclenchée selon tel aléa ou évènement,
  • Intelligence artificielle : l’action est déclenchée selon tel aléa ou évènement, et selon un apprentissage et un retour d’expérience.

Les deux approches sont étudiées par les opérateurs et industriels. Elles pourraient être complémentaires l’une de l’autre, car il semble clair que la définition des évènements et aléas possibles ne pourra jamais être exhaustive. Il existera toujours des cas improbables qui ne sont pas couverts par la règlementation.

Le réveil automatique et la préparation du train

Le train autonome stationné au dépôt, en gare ou sur une voie de service, devra être réveillé à distance afin de pouvoir lui attribuer une mission. Ce réveil à distance aura besoin d’une liaison sol/train disponible (réseau telecom ferroviaire GSM-R/FRMCS ou bien réseau telecom grand public).

Une fois réveillé, le système autonome à bord du train devra réaliser la préparation du matériel roulant, aujourd’hui réalisée par un conducteur :

  • Essais et vérification du frein,
  • Essais, vérification et entrée de données des équipements de sécurité.

La localisation du train et la cartographie du réseau ferré

Le train autonome devra se localiser précisément sur le plan de voies. Le système principal pour remplir cet objectif est la localisation par satellites (GNSS), il peut être completé par une centrale inertielle pour estimer l’orientation du train.

Le plan de voies sera cartographié afin que le système de localisation puisse positionner le train sur celui-ci. Cette activité de cartographie représente un important travail, que doit réaliser le gestionnaire d’infrastructure.

Ces données de navigation et de cartographie servent à augmenter significativement les performances des dispositifs de perception de l’environnement. En effet, ces données permettent une meilleure contextualisation des objets qui sont perçus. Comment le système pourrait-il distinguer un obstacle sur la voie circulée versus sur une voie adjacente, s’il ne sait pas faire une corrélation entre ce qu’il perçoit (l’environnement physique visuel) et ce qu’est le plan de voies ?

Principes du GNSS
Les principes du GNSS. Crédit : IGN.

Digital ATO : le futur standard européen

Le train autonome standard, porté par une vision système

L’Union européenne souhaite continuer à investir dans le ferroviaire du futur, et notamment sa modernisation et numérisation. Dans son Master Plan de 2022, le nouveau programme de R&D Europe’s Rail a pour ambition d’expérimenter massivement l’ATO en GoA3/GoA4 d’ici à 2025, et de le déployer à partir de 2029-2031. [1]

Le Master Plan précise qu’en 2022, aucun système de classe B ne permet de réaliser de la conduite automatique en GoA4. Les activités de R&D ont pour objectif d’offrir une solution harmonisée pour l’UE, en s’appuyant sur la future solution ATO GoA4 over ETCS. [1]

Comme j’ai pu le préciser dans l’article Qu’est-ce que le train autonome, le train autonome est un élément parmi un tout. L’augmentation des performances du réseau ferré passe par la modernisation de l’ensemble de l’infrastructure : une vision système est nécessaire.

Cette vision système est portée par le Master Plan, qui introduit la notion de Digital ATO, comprenant :

ATO GoA4 over ETCS

Lancé en 2019, le groupe de travail rassemble les opérateurs et industriels de la signalisation, afin de spécifier la future solution standard ATO GoA4 over ETCS. Celle-ci est un prolongement de ATO over ETCS.

Ces activités s’alimentent essentiellement des travaux réalisés par la SNCF et la Deutsche Bahn, respectivement via leurs programmes Tech4Rail et Digitalisierung Bahnbetrieb. Le projet français Train de Fret Autonome, contribue également à la standardisation, via les constatations réalisées sur la locomotive prototype.

L’hypothèse de travail du groupe définissant ATO GoA4 over ETCS est de faire évoluer le bord ERTMS/ETCS, afin de superviser les opérations GoA4. Le système de prise de décisions est relié à l’ERTMS/ETCS, afin que celui-ci applique les restrictions sur la conduite en cas d’aléas (ralentissement,  freinage d’urgence).

Aujourd’hui, l’ERTMS/ETCS à bord du train supervise uniquement le bon respect de la signalisation par le conducteur ou l’ATO. Si le conducteur ou l’ATO ne respectent pas la vitesse limite, ou s’ils grillent un feu rouge, alors l’ERTMS/ETCS applique un freinage d’urgence. Avec le concept ATO GoA4 over ETCS, ce futur bord ERTMS/ETCS prendrait en entrée à la fois les informations de signalisation (ETCS-SOL ou bien signalisation latérale), et les restrictions provenant du dispositif de décision sur aléas. L’ERTMS/ETCS appliquerait alors l’information la plus restrictive entre signalisation et décision sur aléa, pour la communiquer à l’ATO afin qu’il adapte sa conduite, ou bien pour appliquer directement un freinage d’urgence.

Les travaux de standardisation et d’expérimentation continueront ces prochaines années, pour aboutir à la publication de la spécification standard ATO GoA4 over ETCS entre 2026 et 2029. [1]

ATO GoA4 over ETCS

Construction du système

ERTMS ATO GoA4 with deer (credit Antoine BLAS)

Architecture stylisée du système ERTMS/ATO, sous signalisation latérale, en GoA4. 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).

Si les voies ne sont pas équipées en ETCS sol (ETCS-TS), 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.

Un autre système de perception (Perception) surveille l’environnement physique (intérieur comme extérieur) et détecte tout danger ou obstacle. En cas d’aléa détecté, le dispositif de prise de décisions (Automatic Processing Module) applique la restriction et la transmet à l’ETCS à bord (ETCS-OB). Dès lors, l’ETCS à bord fait ralentir l’ATO ou bien applique directement le freinage d’urgence si la situation le demande. Par ailleurs, le dispositif de prise de décisions (Automatic Processing Module) avise le personnel au sol de tout évènement.

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,
  • les nouveaux dispositifs GoA4 en violet.

Les projets de train autonome GoA4

AutoHaul

Le premier train de fret autonome a démarré son service commercial en 2018 : c’est AutoHaul. Développé par Hitachi Rail STS, ce train appartenant à l’entreprise Rio Tinto, achemine le minerai de fer depuis les mines australiennes jusqu’aux ports pour expédition.

Le système AutoHaul est basé sur la solution ATO over ETCS, et la ligne est équipée de l’ERTMS/ETCS Niveau 2. Il est complété d’un système de détection de collision. [2]

42 passages à niveaux du réseau de Rio Tinto ont été équipés d’un système de supervision composé de :

  • Barrières optiques permettant la détection d’objets sur le passage à niveau
  • Caméras de surveillance
  • Dispositifs d’éclairage

L’état de santé de la locomotive ainsi que du système autonome à bord est surveillé à tout instant par une équipe au centre de supervision situé à Perth.

AutoHaul
AutoHaul dans le désert australien.

Crédit photo : Hitachi Rail STS.

Train de Fret Autonome et TER Service Voyageurs

SNCF ainsi que des partenaires industriels et académiques sont impliqués dans la conception et l’expérimentation du train autonome GoA4 dans deux projets parallèles : Train de Fret Autonome et TER Service Voyageurs.

Ces deux projets ont pour but de démontrer la faisabilité du GoA4 pour du train grandes lignes, d’envoyer un signal aux équipementiers pour lancer une industrialisation, et de pousser les réflexions sur l’évolution de l’exploitation ferroviaire de SNCF avec des trains GoA4.

TER Service Voyageurs - Crédit Laurent Mayeux
Rame Regio2N du projet TER Service Voyageurs. Crédit photo : Laurent Mayeux.

Les défis du train autonome GoA4

L’insertion dans le système ferroviaire et le temps de migration

Le train autonome est un nouvel objet, qui s’insère dans un environnement plus vaste qu’est le système ferroviaire. L’adaptation du système ferroviaire est donc nécessaire pour que le train autonome puisse être exploité.

La vision du Master Plan avec Digital ATO le résume bien : le train autonome et les principaux constituants de l’infrastructure ferroviaire forment un tout numérique. Sauf que la modernisation de l’infrastructure demande du temps et surtout beaucoup de moyens. La question est donc de savoir s’il est possible de moderniser l’infrastructure par étapes, afin de pouvoir démarrer l’exploitation de trains autonomes. Quitte à les exploiter sur un périmètre très bien défini (par exemple : uniquement sur une ligne de telle gare à telle gare, uniquement du train de fret).

Les données statiques du plan de voie, et caractéristiques du réseau ferré, sont importantes pour les performances du train autonome. L’accès aux données du gestionnaire d’infrastructure sera nécessaire, avec une potentielle mise en qualité. En leur absence, un travail d’ingénierie d’application sera indispensable pour les créer.

Les aléas difficiles

Le métro automatique sans conducteur a pu être mis en place depuis de nombreuses années, en partie car il jouit d’un avantage considérable : il se situe en ville ! Les équipes d’intervention, en cas d’aléa ou de panne du matériel, ne sont jamais bien loin. Pour le train autonome, le contexte est radicalement différent : que faire si le train autonome tombe en panne sur une ligne en zone très peu dense ?

Sur ce sujet, la réflexion système s’impose de nouveau. L’exploitation ferroviaire doit être repensée afin de pouvoir dépanner des trains autonomes bloqués sur des lignes en zones très peu denses. La question de l’accès aux lignes se pose aussi, car si des routes et des pistes mènent aux bords des voies régulièrement, certaines portions peuvent être très difficiles d’accès. Si le train autonome est bloqué sur une de ces portions, c’est avec un engin ferré que le secours pourra être porté.

L’étude opérationnelle est fondamentale. Exploiter un train grandes lignes sans personnel à bord ouvre des questions nombreuses et complexes. Celles-ci sont bien différentes en comparaison de l’exploitation d’un métro automatique.

La question de la certification

La solution ATO GoA4 over ETCS repose sur des dispositifs de perception de l’environnement, d’un système de prise de décisions, le tout connecté à l’ETCS qui supervise les opérations en GoA4. Ces hypothèses de travail nécessiteront d’être évaluées pour déterminer leur niveau de sécurité requis (SIL).

L’homologation et la certification de ces dispositifs pose question, notamment pour ceux utilisant des algorithmes d’intelligence artificielle. Le référentiel normatif actuel ne recommande pas ces solutions pour des applications de sécurité.

L’acceptation du système

Aujourd’hui, voyager à bord d’une rame de métro sans personnel à bord ne semble plus susciter de peur. Qu’en sera-t-il avec un train régional ou un train à grande vitesse ?

Nous l’avons vu : concernant la gestion des aléas, l’exploitation sans personnel est possible dans le contexte du métro, car nous sommes en ville. Comment faire sur des zones très peu denses, dans le contexte du TER par exemple ?

En conséquence, le train autonome n’est pas simplement un défi technologique. Il nécessite une étude opérationnelle profonde, et des cas d’utilisation bien précis.

Conclusion

Le système de conduite automatique ATO over ETCS est le point de départ du train autonome. Son évolution vers le GoA3/GoA4 repose sur de nouvelles fonctions, dont notamment : la perception de l’environnement, la prise de décisions, la localisation, et le réveil.

La standardisation européenne de ce nouveau système est en cours, c’est ATO GoA4 over ETCS. Elle se poursuivra jusqu’en 2026-2029, avec pour objectif d’expérimenter à grande échelle dès 2025. La solution ATO GoA4 over ETCS s’insère dans une infrastructure ferroviaire numérique plus vaste : Digital ATO. Seule une vision système permettra d’exploiter avec succès le train autonome, et d’augmenter les performances du réseau ferré.

Accueillir le train autonome dans le système ferroviaire nécessite une réflexion sur l’évolution de l’exploitation : comment gérer les aléas difficiles notamment ?

Des défis sont à surmonter, notamment la certification de nouveaux systèmes reposant sur l’analyse video ou les algorithmes d’intelligence artificielle. L’acceptation du train autonome est également un sujet de questionnement : l’étude opérationnelle par les exploitants sera fondamentale.

Article suivant : les projets de train autonome.

Crédit photo de couverture : Laurent Mayeux

Références :

[1] https://shift2rail.org/wp-content/uploads/2021/12/20211216-Master-Plan_agreed-in-princ_clean.pdf

[2] https://www.hitachi.com/rev/archive/2020/r2020_06/06a05/index.html