Contrôle des trains basé sur les communications

Le contrôle des trains basé sur les communications ( CBTC ) est un système de signalisation ferroviaire qui utilise les télécommunications entre le train et l'équipement de voie pour la gestion du trafic et le contrôle de l'infrastructure. Le CBTC permet de connaître la position d'un train avec plus de précision qu'avec les systèmes de signalisation traditionnels. Cela peut rendre la gestion du trafic ferroviaire plus sûre et plus efficace. Les systèmes de transport rapide (et d'autres systèmes ferroviaires) sont capables de réduire les intervalles tout en maintenant, voire en améliorant, la sécurité.

Un système CBTC est un « système de contrôle automatique continu des trains utilisant une détermination de l'emplacement des trains à haute résolution, indépendante des circuits de voie ; des communications de données continues, à haute capacité et bidirectionnelles entre le train et la voie ; et des processeurs embarqués et en bord de voie capables de mettre en œuvre des fonctions de protection automatique des trains (ATP), ainsi que des fonctions facultatives d'exploitation automatique des trains (ATO) et de supervision automatique des trains ( ATS ) », comme défini dans la norme IEEE 1474.

CBTC est une norme de signalisation définie par la norme IEEE 1474. La version originale a été introduite en 1999 et mise à jour en 2004. L'objectif était de créer une cohérence et une normalisation entre les systèmes de signalisation ferroviaire numérique qui permettent une augmentation de la capacité des trains grâce à ce que la norme définit comme une détermination de la localisation des trains à haute résolution. La norme n'exige donc pas l'utilisation d'une signalisation ferroviaire à cantonnement mobile , mais dans la pratique, il s'agit de la disposition la plus courante.

Les systèmes de signalisation traditionnels détectent les trains dans des sections distinctes de la voie appelées « blocs », chacune protégée par des signaux qui empêchent un train de pénétrer dans un bloc occupé. Étant donné que chaque bloc est une section fixe de la voie, ces systèmes sont appelés systèmes de blocs fixes .

Dans un système CBTC à blocs mobiles, la section protégée de chaque train est un « bloc » qui se déplace avec lui et le suit, et fournit une communication continue de la position exacte du train par radio, boucle inductive, etc.

En conséquence, Bombardier a inauguré le premier système CBTC au monde basé sur la radio sur le système de navettes automatisées (APM) de l'aéroport de San Francisco en février 2003. Quelques mois plus tard, en juin 2003, Alstom a introduit l'application ferroviaire de sa technologie radio sur la Singapore North East Line . Le CBTC trouve ses origines dans les systèmes basés sur la boucle développés par Alcatel SEL (aujourd'hui Thales ) pour les systèmes Bombardier Automated Rapid Transit (ART) au Canada au milieu des années 1980.

Ces systèmes, également appelés contrôle des trains par transmission (TBTC), utilisaient des techniques de transmission par boucle inductive pour la communication entre les voies et les trains, introduisant ainsi une alternative à la communication par circuit de voie . Cette technologie, fonctionnant dans la gamme de fréquences de 30 à 60 kHz pour communiquer entre les trains et les équipements en bordure de voie, a été largement adoptée par les opérateurs de métro malgré certains problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM), ainsi que d'autres problèmes d'installation et de maintenance (voir SelTrac pour plus d'informations sur le contrôle des trains par transmission).

Comme pour toute nouvelle application de technologie, certains problèmes sont apparus au début, principalement en raison des aspects de compatibilité et d'interopérabilité. Cependant, des améliorations importantes ont été apportées depuis lors et, actuellement, la fiabilité des systèmes de communication radio s'est considérablement améliorée.

De plus, il est important de souligner que tous les systèmes utilisant la technologie de communication radio ne sont pas considérés comme des systèmes CBTC. Ainsi, pour plus de clarté et pour rester en phase avec les solutions de pointe répondant aux besoins des opérateurs, cet article ne couvre que les dernières solutions CBTC basées sur le principe du bloc mobile (soit un véritable bloc mobile , soit un bloc virtuel, donc ne dépendant pas de la détection des trains sur la voie) qui utilisent les communications radio .

Les systèmes CBTC sont des systèmes modernes de signalisation ferroviaire qui peuvent être principalement utilisés sur les lignes ferroviaires urbaines ( légères ou lourdes ) et les APM , bien qu'ils puissent également être déployés sur les lignes de banlieue . Pour les lignes principales , un système similaire pourrait être le système européen de gestion du trafic ferroviaire ERTMS niveau 3 (pas encore complètement défini ). Dans les systèmes CBTC modernes, les trains calculent et communiquent en permanence leur statut par radio aux équipements de bord de voie répartis le long de la ligne. Cet état comprend, entre autres paramètres, la position exacte, la vitesse, le sens de déplacement et la distance de freinage .

Ces informations permettent de calculer la surface potentiellement occupée par le train sur la voie. Elles permettent également aux équipements de bord de voie de définir les points de la ligne qui ne doivent jamais être dépassés par les autres trains circulant sur la même voie. Ces points sont communiqués pour que les trains ajustent automatiquement et en permanence leur vitesse tout en respectant les impératifs de sécurité et de confort ( à-coups ). Ainsi, les trains reçoivent en permanence des informations sur la distance qui les sépare du train précédent et sont alors en mesure d'ajuster leur distance de sécurité en conséquence.

Du point de vue du système de signalisation , la première figure montre l'occupation totale du train de tête en incluant tous les blocs sur lesquels se trouve le train. Cela est dû au fait qu'il est impossible pour le système de savoir exactement où se trouve réellement le train dans ces blocs . Par conséquent, le système de blocs fixes permet uniquement au train suivant de se déplacer jusqu'à la limite du dernier bloc inoccupé.

Dans un système de cantonnement mobile tel que celui illustré dans la deuxième figure, la position du train et sa courbe de freinage sont calculées en continu par les trains, puis communiquées par radio à l'équipement de bord de voie. Ainsi, l'équipement de bord de voie est en mesure d'établir des zones protégées, chacune appelée Limite d'autorisation de mouvement (LMA), jusqu'à l'obstacle le plus proche (sur la figure, la queue du train de devant). L'autorisation de mouvement (MA) est l'autorisation donnée à un train de se déplacer vers un endroit spécifique dans les limites de l'infrastructure et sous surveillance de la vitesse.

La fin de l'autorisation est l'emplacement vers lequel le train est autorisé à se déplacer et où la vitesse cible est égale à zéro. La fin du mouvement est l'emplacement vers lequel le train est autorisé à se déplacer conformément à une MA. Lors de la transmission d'une MA, il s'agit de la fin de la dernière section donnée dans la MA.

Il est important de mentionner que l'occupation calculée dans ces systèmes doit inclure une marge de sécurité pour l'incertitude de localisation (en jaune sur la figure) ajoutée à la longueur du train. Ces deux éléments forment ce que l'on appelle communément « l'empreinte ». Cette marge de sécurité dépend de la précision du système d'odométrie du train.

Les systèmes CBTC basés sur le cantonnement en mouvement permettent de réduire la distance de sécurité entre deux trains consécutifs. Cette distance varie en fonction des mises à jour continues de la position et de la vitesse du train, tout en maintenant les exigences de sécurité . Il en résulte une réduction de l'intervalle entre les trains consécutifs et une augmentation de la capacité de transport .

Les systèmes CBTC modernes permettent différents niveaux d'automatisation ou degrés d'automatisation (GoA), tels que définis et classés dans la norme IEC 62290–1. En fait, CBTC n'est pas synonyme de « trains sans conducteur » ou de « trains automatisés », bien qu'il soit considéré comme une technologie de base habilitante à cette fin.

Il existe quatre niveaux d'automatisation disponibles :

• GoA 0 - À vue, sans automatisation
• GoA 1 - Manuel, avec un conducteur contrôlant toutes les opérations du train.
• GoA 2 - Fonctionnement semi-automatique (STO), le démarrage et l'arrêt sont automatisés, mais un conducteur assis dans la cabine actionne les portes et conduit en cas d'urgence
• GoA 3 - Opération de train sans conducteur (DTO), le démarrage et l'arrêt sont automatisés, mais un membre de l'équipage actionne les portes depuis l'intérieur du train
• GoA 4 - Exploitation sans surveillance du train (UTO), le démarrage, l'arrêt et les portes sont tous automatisés, sans aucun membre d'équipage requis à bord

Les systèmes CBTC permettent une utilisation optimale de l'infrastructure ferroviaire ainsi qu'une capacité maximale et un espacement minimal entre les trains en circulation, tout en maintenant les exigences de sécurité . Ces systèmes sont adaptés aux nouvelles lignes urbaines très exigeantes, mais peuvent également être superposés sur des lignes existantes afin d'améliorer leurs performances.

Bien entendu, dans le cas de la modernisation de lignes existantes, les étapes de conception, d'installation, de test et de mise en service sont beaucoup plus critiques. Cela est principalement dû au défi de déployer le système sus-jacent sans perturber le service commercial .

L'évolution de la technologie et l'expérience acquise au cours des 30 dernières années ont permis aux systèmes CBTC modernes d'être plus fiables et moins sujets aux pannes que les anciens systèmes de contrôle des trains. Les systèmes CBTC disposent généralement de moins d'équipements en bord de voie et leurs outils de diagnostic et de surveillance ont été améliorés, ce qui les rend plus faciles à mettre en œuvre et, plus important encore, plus faciles à entretenir.

La technologie CBTC évolue et utilise les dernières techniques et composants pour proposer des systèmes plus compacts et des architectures plus simples. Par exemple, avec l'avènement de l'électronique moderne, il est désormais possible d'intégrer une redondance afin que les pannes uniques n'aient pas d'impact négatif sur la disponibilité opérationnelle.

De plus, ces systèmes offrent une flexibilité totale en termes d'horaires opérationnels ou d'horaires, ce qui permet aux opérateurs ferroviaires urbains de répondre plus rapidement et plus efficacement à la demande de trafic spécifique et de résoudre les problèmes de congestion du trafic. En fait, les systèmes d'exploitation automatique ont le potentiel de réduire considérablement l' intervalle et d'améliorer la capacité de trafic par rapport aux systèmes de conduite manuelle.

Enfin, il est important de mentionner que les systèmes CBTC se sont avérés plus économes en énergie que les systèmes traditionnels à commande manuelle. L’utilisation de nouvelles fonctionnalités, telles que des stratégies de conduite automatique ou une meilleure adaptation de l’offre de transport à la demande réelle, permet de réaliser d’importantes économies d’énergie réduisant ainsi la consommation électrique.

Le principal risque d'un système de contrôle électronique des trains est que si la liaison de communication entre l'un des trains est interrompue, tout ou partie du système peut être amené à entrer dans un état de sécurité jusqu'à ce que le problème soit résolu. Selon la gravité de la perte de communication, cet état peut aller de la réduction temporaire de la vitesse des véhicules à l'arrêt ou au fonctionnement en mode dégradé jusqu'à ce que les communications soient rétablies. Si la panne de communication est permanente, une sorte d' opération de secours doit être mise en œuvre, qui peut consister en une opération manuelle utilisant un blocage absolu ou, dans le pire des cas, la substitution d'un autre moyen de transport .

Par conséquent, la haute disponibilité des systèmes CBTC est essentielle pour un bon fonctionnement, en particulier si ces systèmes sont utilisés pour augmenter la capacité de transport et réduire les intervalles. La redondance du système et les mécanismes de récupération doivent alors être soigneusement vérifiés pour obtenir une grande robustesse de fonctionnement. Avec la disponibilité accrue du système CBTC, il est également nécessaire de former les opérateurs du système de manière approfondie et de les remettre à niveau périodiquement sur les procédures de récupération . En fait, l'un des principaux risques des systèmes CBTC est la probabilité d'erreur humaine et d'application incorrecte des procédures de récupération si le système devient indisponible.

Les pannes de communication peuvent résulter d'un dysfonctionnement de l'équipement, d'interférences électromagnétiques , d'une faible intensité du signal ou d'une saturation du support de communication. Dans ce cas, une interruption peut entraîner un freinage de service ou un freinage d'urgence , car la connaissance de la situation en temps réel est une exigence de sécurité essentielle pour le CBTC et si ces interruptions sont suffisamment fréquentes, elles peuvent avoir de graves répercussions sur le service. C'est la raison pour laquelle, historiquement, les systèmes CBTC ont mis en œuvre pour la première fois des systèmes de communication radio en 2003, lorsque la technologie requise était suffisamment mature pour les applications critiques.

Dans les systèmes avec une mauvaise visibilité ou des limitations de spectre/bande passante, un nombre de transpondeurs plus important que prévu peut être nécessaire pour améliorer le service. Ce problème se pose généralement davantage lors de l'application du CBTC à des systèmes de transport existants dans des tunnels qui n'ont pas été conçus dès le départ pour le prendre en charge. Une autre méthode pour améliorer la disponibilité du système dans les tunnels est l'utilisation de câbles d'alimentation à fuite qui, bien que présentant des coûts initiaux plus élevés (matériel + installation), permet d'obtenir une liaison radio plus fiable.

Avec l'émergence de services sur les bandes radio ISM ouvertes (c'est-à-dire 2,4 GHz et 5,8 GHz) et la perturbation potentielle des services CBTC critiques, la communauté internationale exerce une pression croissante (cf. rapport 676 de l'organisation UITP, Réservation d'un spectre de fréquences pour les applications critiques de sécurité dédiées aux systèmes ferroviaires urbains) pour réserver une bande de fréquences spécifiquement destinée aux systèmes ferroviaires urbains basés sur la radio. Une telle décision permettrait de standardiser les systèmes CBTC sur l'ensemble du marché (une demande croissante de la plupart des opérateurs) et de garantir la disponibilité de ces systèmes critiques.

Comme un système CBTC doit avoir une haute disponibilité et, en particulier, permettre une dégradation progressive, une méthode secondaire de signalisation peut être fournie pour garantir un certain niveau de service non dégradé en cas d'indisponibilité partielle ou totale du CBTC. Cela est particulièrement pertinent pour les implémentations de friches industrielles (lignes avec un système de signalisation déjà existant) où la conception de l'infrastructure ne peut pas être contrôlée et la coexistence avec les systèmes existants est requise, au moins temporairement.

Par exemple, la ligne BMT Canarsie à New York a été équipée d'un système de signalisation automatique de secours capable de supporter 12 trains par heure (t/h), contre 26 t/h pour le système CBTC. Bien qu'il s'agisse d'une architecture assez courante pour les projets de resignalisation, elle peut annuler certaines des économies de coûts du CBTC si elle est appliquée à de nouvelles lignes. Il s'agit toujours d'un point clé dans le développement du CBTC (et il est toujours en discussion), car certains fournisseurs et opérateurs soutiennent qu'une architecture entièrement redondante du système CBTC peut cependant atteindre des valeurs de haute disponibilité par elle-même.

En principe, les systèmes CBTC peuvent être conçus avec des systèmes de supervision centralisés afin d'améliorer la maintenabilité et de réduire les coûts d'installation. Dans ce cas, le risque d'un point de défaillance unique susceptible de perturber le service sur l'ensemble d'un système ou d'une ligne est accru. Les systèmes à blocs fixes fonctionnent généralement avec une logique distribuée qui est normalement plus résistante à de telles pannes. Par conséquent, une analyse minutieuse des avantages et des risques d'une architecture CBTC donnée (centralisée ou distribuée) doit être effectuée lors de la conception du système.

Lorsque le CBTC est appliqué à des systèmes qui fonctionnaient auparavant sous contrôle humain complet avec des opérateurs travaillant à vue, il peut en fait entraîner une réduction de la capacité (bien qu'avec une augmentation de la sécurité). En effet, le CBTC fonctionne avec moins de certitude de position que la vue humaine et également avec des marges d'erreur plus importantes car les paramètres de train les plus défavorables sont appliqués pour la conception (par exemple, taux de freinage d'urgence garanti par rapport au taux de freinage nominal). Par exemple, l'introduction du CBTC dans le tunnel du trolley du centre-ville de Philadelphie a entraîné initialement une augmentation marquée du temps de trajet et une diminution correspondante de la capacité par rapport à la conduite manuelle non protégée. Cela a permis d'éradiquer définitivement les collisions de véhicules que la conduite à vue ne peut éviter et met en évidence les conflits habituels entre l'exploitation et la sécurité.

L'architecture typique d'un système CBTC moderne comprend les principaux sous-systèmes suivants :

1. Equipements de bord de voie , qui comprennent les enclenchements et les sous-systèmes contrôlant chaque zone de la ligne ou du réseau (contenant généralement les fonctionnalités ATP et ATO de bord de voie ). Selon les fournisseurs, les architectures peuvent être centralisées ou distribuées. Le contrôle du système est effectué à partir d'un ATS de commande central , bien que des sous-systèmes de contrôle locaux puissent également être inclus en secours.
2. Équipements embarqués CBTC , y compris les sous-systèmes ATP et ATO dans les véhicules.
3. Sous-système de communication train-voie , actuellement basé sur des liaisons radio .

Ainsi, bien qu'une architecture CBTC dépende toujours du fournisseur et de son approche technique, les composants logiques suivants peuvent généralement être trouvés dans une architecture CBTC typique :

• Système ATP embarqué . Ce sous-système est chargé de contrôler en continu la vitesse du train en fonction du profil de sécurité et d'appliquer le frein si nécessaire. Il est également chargé de la communication avec le sous-système ATP de bord de voie afin d'échanger les informations nécessaires à une exploitation sûre (envoi de la vitesse et de la distance de freinage et réception de l'autorisation de limite de mouvement pour une exploitation sûre).
• Système ATO embarqué . Il est responsable du contrôle automatique de l'effort de traction et de freinage afin de maintenir le train en dessous du seuil établi par le sous-système ATP. Sa tâche principale est soit de faciliter les fonctions du conducteur ou de l'accompagnateur, soit même de faire fonctionner le train en mode entièrement automatique tout en maintenant les objectifs de régulation du trafic et le confort des passagers. Il permet également de sélectionner différentes stratégies de conduite automatique pour adapter le temps de fonctionnement ou même réduire la consommation d'énergie.
• Système ATP de bord de voie . Ce sous-système se charge de la gestion de toutes les communications avec les trains dans sa zone. De plus, il calcule les limites d'autorisation de mouvement que chaque train doit respecter lorsqu'il circule dans la zone mentionnée. Cette tâche est donc essentielle pour la sécurité de l'exploitation.
• Système ATO en bord de voie . Il est chargé de contrôler la destination et les objectifs de régulation de chaque train. La fonctionnalité ATO en bord de voie fournit à tous les trains du système leur destination ainsi que d'autres données telles que le temps de séjour dans les stations. De plus, il peut également effectuer des tâches auxiliaires et non liées à la sécurité, notamment la communication et la gestion des alarmes/événements, ou la gestion des commandes de saut/d'attente en station.
• Système de communication . Les systèmes CBTC intègrent un système radio numérique en réseau au moyen d' antennes ou de câbles d'alimentation à fuite pour la communication bidirectionnelle entre les équipements de voie et les trains. La bande de fréquences 2,4 GHz est couramment utilisée dans ces systèmes (comme le WiFi ), bien que d'autres fréquences alternatives telles que 900 MHz ( États-Unis ), 5,8 GHz ou d'autres bandes sous licence puissent également être utilisées.
• Système ATS . Le système ATS est généralement intégré dans la plupart des solutions CBTC. Sa tâche principale est d'agir comme interface entre l'opérateur et le système, en gérant le trafic selon des critères de régulation spécifiques. D'autres tâches peuvent inclure la gestion des événements et des alarmes ainsi que l'action d'interface avec des systèmes externes.
• Système d'enclenchement . Lorsqu'il est nécessaire en tant que sous-système indépendant (par exemple comme système de secours), il sera chargé du contrôle vital des objets en bord de voie tels que les aiguillages ou les signaux , ainsi que d'autres fonctionnalités associées. Dans le cas de réseaux ou de lignes plus simples, la fonctionnalité de l'enclenchement peut être intégrée au système ATP en bord de voie.

La technologie CBTC a été (et est) mise en œuvre avec succès pour une variété d'applications, comme le montre la figure ci-dessous (mi-2011). Ces applications vont de quelques implémentations avec des voies courtes, un nombre limité de véhicules et peu de modes de fonctionnement (comme les APM des aéroports de San Francisco ou de Washington ), à des superpositions complexes sur des réseaux ferroviaires existants transportant plus d'un million de passagers chaque jour et avec plus de 100 trains (comme les lignes 1 et 6 du métro de Madrid , la ligne 3 du métro de Shenzhen , certaines lignes du métro de Paris , du métro de New York et du métro de Pékin , ou le réseau souterrain du métro de Londres ).

Malgré la difficulté, le tableau ci-dessous tente de résumer et de référencer les principaux systèmes CBTC radio déployés dans le monde ainsi que les projets en cours de développement. En outre, le tableau fait la distinction entre les implémentations réalisées sur des systèmes existants et opérationnels ( brownfield ) et celles entreprises sur des lignes entièrement nouvelles ( greenfield ).

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