Quand la grande vitesse bouleverse la signalisation

REPÈRES

REPÈRES
Les prin­ci­pales évo­lu­tions de la sig­nal­i­sa­tion fer­rovi­aire française au long des trente dernières années sont liées à la grande vitesse. L’ouverture de chaque ligne à grande vitesse a été l’occasion d’innovations mar­quantes en la matière, repris­es ensuite sur le réseau clas­sique. Il importe de soulign­er à cet égard le très fort niveau d’intégration du sys­tème fer­rovi­aire et l’importance de l’ingénierie sys­tème pour maîtris­er les inter­ac­tions entre ses divers éléments.

Signalisation par informatique

Suiv­re les trains automa­tique­ment via des balis­es, et non plus par annonces de poste en poste, était déjà une avancée majeure. Ajouter des fonc­tion­nal­ités d’aide à l’exploitation (pro­gram­ma­tion automa­tique des itinéraires à par­tir du fichi­er théorique et du suivi) amélio­rait l’exploitabilité et dimin­u­ait le coût d’exploitation des postes d’aiguillage à relais. La sou­p­lesse de la tech­nolo­gie infor­ma­tique per­me­t­tait ain­si un saut de pro­duc­tiv­ité et de qualité.

Une idée venue du Japon
La sig­nal­i­sa­tion en cab­ine n’était pas une idée totale­ment nou­velle. Elle était déjà mise en oeu­vre au Japon sur le Shinkansen, et c’est le chef du départe­ment de la sig­nal­i­sa­tion de la SNCF de l’époque qui avait rap­porté cette idée d’un voy­age au Japon.

Cette démarche prag­ma­tique évi­tait de s’attaquer au cœur du sys­tème, à savoir les « enclenche­ments de sécu­rité », qui ne posaient au reste aucun prob­lème ni de sécu­rité, ni d’obsolescence, et dont l’informatisation appa­rais­sait à tous comme un sujet com­pliqué sans gain financier cer­tain. Ain­si sont nés, dans les années 1970, les pro­gram­ma­teurs d’itinéraires des postes de Saint-Cloud, de Juvisy et de Lyon Part-Dieu, pour citer les plus importants.

Cette pre­mière généra­tion de sys­tèmes infor­ma­tiques de sig­nal­i­sa­tion non liés à la sécu­rité a joué un rôle très impor­tant dans l’évolution de la sig­nal­i­sa­tion française. Elle a créé les con­di­tions favor­ables et con­sti­tué le pre­mier pas vers l’informatisation des fonc­tions de sécu­rité pour les lignes à grande vitesse.

Inventer la transmission voie-machine

Quand la direc­tion de la recherche de la SNCF a com­mencé à réfléchir à la grande vitesse fer­rovi­aire, il est apparu très rapi­de­ment qu’il n’était plus pos­si­ble, au-delà de 220 km/h, de con­tin­uer à deman­der au con­duc­teur de respecter une sig­nal­i­sa­tion latérale par toutes con­di­tions atmo­sphériques. Il fal­lait envis­ager de lui présen­ter les infor­ma­tions de sig­nal­i­sa­tion directe­ment en cabine.

Au-delà de 220 km/h, il n’est plus pos­si­ble de respecter une sig­nal­i­sa­tion latérale

Cette pre­mière généra­tion de TVM (TVM 300), dévelop­pée avec Ansal­do (alors CSEE Trans­port), est analogique et élec­tron­ique (les relais d’acquisition et de codage-décodage de l’information sont analogiques).

Elle ne traite que l’espacement des trains, les postes d’aiguillage restant en tech­nolo­gie clas­sique à base de relais. Elle per­met de trans­met­tre une ving­taine d’informations entre le sol et le bord et de faire rouler des TGV à 300 km/h avec un espace­ment de cinq min­utes entre deux trains. Cette TVM équipe les lignes Sud-Est et Atlan­tique. Les pre­mières esti­ma­tions de traf­ic sur la ligne Nord, qui devait être pro­longée par une ligne à grande vitesse en Grande-Bre­tagne après le pas­sage par le tun­nel sous la Manche, mon­traient en revanche que, compte tenu des débits à sat­is­faire, il fal­lait un espace­ment de trois min­utes, inac­ces­si­ble à la TVM 300.

Le con­struc­teur CS, devenu Ansal­do, eut alors l’idée d’utiliser simul­tané­ment toutes les fréquences de mod­u­la­tion pos­si­bles, la présence ou l’absence d’une fréquence étant inter­prétée à bord comme une infor­ma­tion binaire, 0 ou 1. De la sorte, il était pos­si­ble de trans­met­tre un mes­sage de 20 bits, ce qui aug­men­tait con­sid­érable­ment la capac­ité de trans­mis­sion de la TVM puisqu’elle pas­sait à 2 puis­sance 20 mes­sages (en réal­ité un peu moins, un cer­tain nom­bre de bits étant util­isés pour la pro­tec­tion des mes­sages). La TVM 430 était née, reposant cette fois sur l’informatique aus­si bien au sol qu’à bord.

Utiliser toutes les fréquences de modulation

Une tech­nolo­gie qui s’exporte
La sig­nal­i­sa­tion française fondée sur la TVM 430 s’est large­ment exportée. Elle per­met aux rames Thalys de faire le tra­jet Paris-Brux­elles et aux rames Eurostar de faire les tra­jets Paris-Lon­dres et Lon­dres-Brux­elles. Elle équipe le tun­nel sous la Manche (par­cou­ru par les Eurostar à 160 km/h) et la ligne bri­tan­nique à grande vitesse entre la sor­tie du tun­nel et la gare de St. Pan­cras à Lon­dres (CTRL, Chan­nel Tun­nel Rail Link). Elle équipe égale­ment la ligne à grande vitesse coréenne et con­stitue la base du sys­tème de trans­mis­sion voie-machine large­ment répan­du en Chine.

C’était un saut tech­nologique majeur : pour la pre­mière fois, des fonc­tions de sécu­rité fer­rovi­aire étaient totale­ment pris­es en charge par un sys­tème infor­ma­tique. Tout était à inven­ter : les principes de sécu­rité des archi­tec­tures infor­ma­tiques mis­es en oeu­vre, le proces­sus de développe­ment, la preuve de sa sécu­rité par une approche prob­a­biliste, mais aus­si son homolo­ga­tion, les méthodolo­gies de véri­fi­ca­tion et d’essais. Les essais pou­vaient du reste, pour la pre­mière fois, se dérouler en majeure par­tie en plate­forme et non plus unique­ment sur site.

La TVM 430 a été un for­mi­da­ble ter­rain d’innovations. Elle a per­mis à l’ingénierie SNCF et à Ansal­do d’acquérir une expéri­ence qui a con­sti­tué le socle des développe­ments ultérieurs pour les lignes nou­velles, pour le réseau clas­sique français, tech­niques qui ont été exportées par la suite. Cette TVM per­met aujourd’hui de rouler jusqu’à 320 km/h avec un espace­ment de trois min­utes entre deux trains. Elle équipe toutes les lignes à grande vitesse en ser­vice (hormis les lignes Sud-Est et Atlan­tique), et équipera celles qui restent en pro­jet à ce jour.

Informatiser la sécurité

Une syn­thèse
Un poste d’aiguillage infor­ma­tisé « de syn­thèse » (dit PAI 2006), en cours de déploiement, reprend les principes des pro­duits exis­tants des con­struc­teurs (Ansal­do, Alstom et Thales) en aug­men­tant leur capac­ité en nom­bre d’entrées-sorties et donc en nom­bre d’itinéraires.

La TVM ne con­cer­nait que la sig­nal­i­sa­tion. L’informatique allait pénétr­er au cœur même des postes, pour des raisons économiques certes – les tech­nolo­gies de sécu­rité à relais étaient spé­ci­fiques et onéreuses –, mais surtout parce que ces tech­nolo­gies risquaient de dis­paraître par obso­les­cence. Cette infor­ma­ti­sa­tion répondait à deux besoins dis­tincts : d’une part le pro­gramme des lignes à grande vitesse, d’autre part la mod­erni­sa­tion des postes d’aiguillage des lignes clas­siques. C’est ain­si qu’est né le SEI (sys­tème d’enclenchement infor­ma­tique), dévelop­pé lui aus­si par Ansal­do, qui a la par­tic­u­lar­ité d’intégrer la TVM 430 et équipe toutes les lignes à grande vitesse con­stru­ites depuis le lance­ment de la ligne Méditerranée.

Le pre­mier poste d’aiguillage infor­ma­tique pour ligne nou­velle (le SEI pour la Méditer­ranée) et le poste pour réseau clas­sique de Roanne ont large­ment béné­fi­cié de l’expérience acquise avec la TVM 430 de la ligne à grande vitesse Nord.

Aide à l’exploitation

Cette généra­tion d’outils (appelée Mis­tral, acronyme pour Mod­ules infor­ma­tiques de sig­nal­i­sa­tion et de trans­mis­sion des alarmes), fournie par ATOS Ori­gin, a pour objet de stan­dard­is­er l’interface entre les postes d’aiguillage et les opéra­teurs, de dimin­uer les coûts de pos­ses­sion et d’améliorer l’ergonomie de cette inter­face en cas de sit­u­a­tions per­tur­bées. Le pre­mier exem­plaire de Mis­tral a été instal­lé au poste de Mar­seille pour la mise en ser­vice de la ligne Méditerranée.

Stan­dard­is­er l’interface entre les postes d’aiguillage et les opérateurs

Il appa­raît qu’une diminu­tion sig­ni­fica­tive des coûts d’exploitation du réseau pour­rait être atteinte tout en amélio­rant l’efficacité opéra­tionnelle de sa ges­tion, en dimin­u­ant le nom­bre de cen­tres de com­mande et en met­tant à dis­po­si­tion des exploitants des out­ils plus per­for­mants (Mis­tral Nou­velle Généra­tion). Ce pro­jet con­duira, à terme, à télé­com­man­der les 1 500 postes gérant les 14 000 km du réseau principal.

Vers la commande centralisée du réseau (CCR)

Inter­con­nex­ions
Le réseau français inter­con­necte forte­ment lignes à grande vitesse et lignes clas­siques. La per­for­mance du sys­tème dépend alors de la qual­ité de la ges­tion des rac­corde­ments entre ces dernières ; l’outil Mis­tral a été conçu dans ce but.

La pre­mière ligne à grande vitesse à avoir été con­sid­érée comme une par­tie inté­grante de l’ensemble du réseau est la ligne Méditer­ranée. Le poste de Mar­seille com­mande à la fois la zone de Mar­seille et la ligne Méditer­ranée jusqu’à Valence, ce qui facilite grande­ment l’insertion des TGV sur le réseau clas­sique à prox­im­ité de Mar­seille. Sous cet angle, le pro­jet CCR est une étape de plus vers l’intégration des lignes à grande vitesse dans le sys­tème glob­al de ges­tion du réseau.

Télécoms et signalisation

Les sys­tèmes mod­ernes de sig­nal­i­sa­tion ont un besoin vital des réseaux de trans­mis­sion, mais aus­si des exi­gences très élevées en matière de disponi­bil­ité, de maîtrise des temps de réponse et de sûreté (au sens de pro­tec­tion con­tre des intru­sions malveillantes).

Les sys­tèmes mod­ernes de sig­nal­i­sa­tion ont un besoin vital des réseaux de transmission

Les pre­mières généra­tions de lignes à grande vitesse util­i­saient les sys­tèmes clas­siques de trans­mis­sion télé­com (réseaux SDH avec des sup­ports physiques de trans­mis­sion cuiv­re ou fibres optiques). Ces sys­tèmes sont aujourd’hui obsolètes.

Avec l’évolution des sys­tèmes de trans­mis­sion vers les tech­nolo­gies de trans­mis­sion fondées sur le pro­to­cole Inter­net (IP), les sys­tèmes de sig­nal­i­sa­tion com­men­cent à recourir à des réseaux de trans­mis­sion ouverts et non physique­ment dédiés (plusieurs réseaux logique­ment dis­tincts cohab­itent sur un même réseau physique). Ce qui n’est pas sans lancer de nou­veaux défis pour garan­tir le niveau de sécu­rité req­uis pour des appli­ca­tions ferroviaires.

Système de contrôle-commande européen (ERTMS) et GSM R

Le sys­tème de con­trôle-com­mande des cir­cu­la­tions ERTMS (Euro­pean Rail Traf­fic Man­age­ment Sys­tem) con­stitue la dernière évo­lu­tion tech­nologique majeure dans le domaine de la sig­nal­i­sa­tion. Le GSM R (R pour rail­way) est le sys­tème de trans­mis­sion radio (voie et don­nées) stan­dard­isé au niveau européen pour les appli­ca­tions fer­rovi­aires. C’est un réseau dis­tinct du réseau GSM pub­lic mais qui repose sur la même tech­nolo­gie en y adjoignant un cer­tain nom­bre de fonc­tion­nal­ités spé­ci­fique­ment ferroviaires.

Des lignes à part
Les pre­mières lignes à grande vitesse ont été con­sid­érées à l’origine comme des lignes à part. Elles étaient et sont encore à ce titre presque toutes exploitées à par­tir d’un poste cen­tral de com­mande assur­ant à la fois la fonc­tion aigu­il­lage et la fonc­tion régu­la­tion. L’avantage de cette solu­tion est d’avoir une ges­tion spé­ci­fique et opti­misée pour le traf­ic de type TGV. L’inconvénient, con­staté de manière évi­dente sur la ligne Nord en région parisi­enne, est juste­ment la dif­fi­culté de pren­dre en compte le rac­corde­ment de ce dernier avec le traf­ic du réseau classique.

Ces deux avancées tech­nologiques se com­bi­nent pour faire émerg­er l’interopérabilité des exploita­tions au niveau européen, c’està- dire la pos­si­bil­ité pour un train don­né d’aller dans tous les pays européens sans chang­er de loco­mo­tive ou de con­duc­teur au pas­sage des frontières.

Les divers pays européens avaient en effet his­torique­ment dévelop­pé des sys­tèmes de sig­nal­i­sa­tion dif­férents et de con­trôle de vitesse nationaux incom­pat­i­bles les uns avec les autres.

À titre d’exemple, une rame Eurostar, pour pou­voir cir­culer en France, en Bel­gique et en Grande-Bre­tagne doit être équipée de sept sys­tèmes dif­férents de con­trôle de vitesse.

En ce qui con­cerne la France, le sys­tème ERTMS niveau 2 est instal­lé sur la ligne à grande vitesse est-européenne et se trou­ve en cours d’homologation. RFF prévoit d’équiper toutes les lignes à grande vitesse à venir en ERTMS niveau 2 (en super­po­si­tion avec la TVM 430 pour les lignes en pro­jet à ce jour, afin de laiss­er le temps à la SNCF d’équiper toutes ses rames TGV en ERTMS). Les rames à grande vitesse SNCF sont ou seront équipées d’un équipement de bord dit bis­tan­dard trai­tant à la fois la fonc­tion TVM et la fonc­tion ERTMS.

Au niveau européen, depuis décem­bre 2009, des rames TGV français­es aptes à cir­culer sur ces réseaux cir­cu­lent tous les jours sur les réseaux belge et hol­landais équipés d’ERTMS niveau 2 avec une excel­lente disponi­bil­ité. Ce sont les seuls matériels à franchir une fron­tière entre deux pays européens grâce à l’ERTMS niveau 2.

Des défis et des perspectives

Les évo­lu­tions de la tech­nique et celles de l’organisation de l’activité fer­rovi­aire obligeront certes les ingénieurs de la sig­nal­i­sa­tion à relever de nou­veaux défis, mais elles leur per­me­t­tront aus­si de s’inscrire très dynamique­ment dans de nou­velles perspectives.

La mod­i­fi­ca­tion de l’organisation fer­rovi­aire en Europe, avec l’apparition de nom­breux acteurs nou­veaux, aux objec­tifs par­fois dif­fi­ciles à align­er, est indu­bitable­ment source de com­plex­ité. Main­tenir un haut niveau de sécu­rité mal­gré cette répar­ti­tion des respon­s­abil­ités (voire cet éclate­ment) est un pre­mier défi. Il s’agit de ren­forcer la com­pé­tence d’ingénierie sys­tème, qui devient clef dans un monde éclaté, de manière à maîtris­er les inter­faces entre l’infrastructure et les mobiles.

Par­al­lèle­ment, il fau­dra réus­sir à con­serv­er et à péren­nis­er les com­pé­tences, notam­ment sur des tech­nolo­gies anci­ennes voire obsolètes, mais qui doivent, pour des raisons pra­tiques, rester maîtrisées.

Le fer­rovi­aire est perçu comme trop cher, trop long, pas assez « agile » face aux évo­lu­tions de la tech­nolo­gie, aux per­for­mances de ses con­cur­rents et aux besoins des clients. Il fau­dra rac­cour­cir les délais de réal­i­sa­tion des pro­jets de sig­nal­i­sa­tion, car la con­cur­rence des autres modes de trans­port est redoutable.

Pass­er d’un « par­a­digme » d’ingénieurs sig­nal­i­sa­tion à celui d’ingénieurs système

Le chemin par­cou­ru avec suc­cès pour per­me­t­tre des per­for­mances crois­santes est déjà long. Il con­vient de pour­suiv­re cette mod­erni­sa­tion du réseau, et à cet effet de met­tre l’accent sur la déf­i­ni­tion des besoins et d’investir dans les études d’émergence, mais aus­si de met­tre en place pour la réal­i­sa­tion des pro­jets de sig­nal­i­sa­tion des organ­i­sa­tions per­for­mantes, admet­tant en par­ti­c­uli­er l’innovation.

Plus glob­ale­ment, il faut pass­er d’un « par­a­digme » d’ingénieurs sig­nal­i­sa­tion à celui d’ingénieurs système.

L’ingénierie SNCF a bien l’intention de con­tin­uer à jouer un rôle majeur dans l’évolution du sys­tème fer­rovi­aire (notam­ment de la grande vitesse et des zones denses).

Elle s’appuiera sur son expéri­ence, en étant délibéré­ment à l’écoute de ses clients à com­mencer par RFF, en étant tournée vers l’avenir et ouverte aux inno­va­tions, aux évo­lu­tions tech­nologiques et, de façon générale, aux autres.