Quand la grande vitesse bouleverse la signalisation

Dossier : LES TRENTE ANS DU TGVMagazine N°671 Janvier 2012
Par Frédéric DELORME (79)
Par Christian SEVESTRE

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.

Un système, trois niveaux de performance
Le système ERTMS comprend trois niveaux de performance dont deux seulement sont développés aujourd’hui. De manière très schématique, le niveau 1 est un système de transmission ponctuel par balises analogues au contrôle français par balise de franchissement des signaux ou KVB, le niveau 2 est un système de transmission continu fondé sur le GSM R de fonctionnalités analogues à celles de la TVM 430.
Rechercher l’optimisation
Les chemins de fer ont cent cinquante ans : rares sont les installations de sécurité d’origine, bien sûr; il n’en reste pas moins que le vieillissement des installations et l’insuffisance des moyens financiers que la collectivité nationale a décidé – ou est en mesure – de consacrer au ferroviaire ne doit pas empêcher de maintenir, ou de retrouver, un haut niveau de disponibilité des installations et de régularité de l’exploitation. Il faut, à cet égard, définir dans le contexte ainsi créé les responsabilités en matière d’évolution et d’optimisation du système ferroviaire.

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.

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