Communication based train control

Le système communication based train control (CBTC)^[1], ce qui signifie gestion des trains basée sur la communication, est un système de contrôle automatique du trafic ferroviaire (train ou métro) qui se base sur la communication continue entre le train et des ordinateurs chargés de piloter le trafic.

L'AirTrain (en) de l'aéroport international de San Francisco est le premier système de transport utilisant le système CBTC avec transmission radio.

Description

Le système CBTC permet l'exploitation d'un système de transport en se basant sur la communication continue des trains avec un ordinateur chargé de la gestion du trafic.

Le système CBTC est décrit par une norme internationale IEEE 1474, définie en 1999. D'après cette norme, les principales caractéristiques d'un CBTC sont :

• une localisation précise de la position des trains indépendante des circuits de voie ;
• une transmission bi-directionnelle haut débit entre les équipements au sol et les trains ;
• un système constitué par des ordinateurs (calculateurs de sécurité) situés à la fois au sol et dans les trains, capables de mettre en œuvre des fonctions de protection automatique des trains (en anglais : Automatic Train Protection ou ATP), ainsi que des fonctions optionnelles d'exploitation automatique des trains (communément appelée « pilotage automatique » ou en anglais : Automatic Train Operation ou ATO) et de supervision automatique des trains (en anglais : Automatic Train Supervision ou ATS).

Un ordinateur central gère les convois circulant sur des lignes situées dans sa zone d'action afin d'obtenir une fluidification du trafic et une réduction de l'intervalle de temps entre deux trains aux heures de pointe.

L'ordinateur central échange différentes informations avec un ordinateur situé à bord de chaque train à l'aide du réseau de communication.

Chaque train calcule en temps réel et communique son statut par radio aux équipements du réseau disposés le long des voies. Ce statut comprend, parmi d'autres informations, sa position exacte, sa vitesse, sa direction et sa distance de freinage minimale.

Les systèmes CBTC de dernière génération sont basés sur le concept de canton mobile déformable, évolution technologique du cantonnement. Ces cantons sont constitués de la partie de voie occupée par le train, incluant une marge de sécurité à l'avant et à l'arrière, et de la distance d'arrêt calculée à tout moment. Ils permettent de diminuer la distance de sécurité entre deux trains consécutifs.

Grâce aux systèmes CBTC, la position de chaque train et sa dynamique sont connues de manière plus précise que par les anciens systèmes de signalisation.

Le CBTC permet ainsi, de resserrer l’intervalle entre les rames, en le limitant à moins de 90 secondes, et par conséquent d’augmenter la capacité d’une ligne, et donc de retarder la mise en œuvre de travaux d’infrastructures beaucoup plus lourds à engager. On cherche continuellement à réduire ce temps, par exemple, Alstom optimise les cadences des nouveaux métros de Lille, avec un train toutes les minutes (solution Urbalis Fluence)^[2].

Les systèmes CBTC doivent conserver une haute disponibilité grâce à une architecture ne comprenant pas de point de défaillance unique.

Par sécurité, une deuxième technologie de signalisation peut être prévue pour assurer un niveau de service minimal en cas de perte partielle ou totale du système CBTC.

Les CBTC peuvent être employés pour automatiser un système existant ou bien lors de la construction d'un nouveau système de transport^[3].

Architecture

Architecture typique d'un système CBTC.

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

1. Équipements CBTC en voie, qui comprend l'enclenchement et les sous-systèmes contrôlant chaque zone de la ligne ou du réseau (contenant généralement les fonctionnalités de l'ATP (en) et de l'ATO en voie). Selon les fournisseurs, les architectures peuvent être centralisées ou distribuées. Le contrôle du système est effectué à partir d'une commande centrale ATS, bien que des sous-systèmes de contrôle locaux puissent également être inclus comme solution de repli.
2. Les équipements CBTC embarqués, y compris les sous-systèmes de protection automatique des trains ATP (en) et d'exploitation automatique des trains ATO embarqués dans les véhicules.
3. Le sous-système de radiocommunication entre le train et le sol, 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 :

• Sous-système ATP embarqué. Ce sous-système est chargé du contrôle continu de la vitesse du train en fonction du profil de sécurité et de l'application du frein si nécessaire. Il est également chargé de la communication avec le sous-système ATP en 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).
• Sous-système ATO embarqué. Il est responsable du contrôle automatique de la traction et de l'effort de freinage afin de maintenir le train sous la courbe de contrôle établie par le sous-système ATP. Sa tâche principale consiste à faciliter les fonctions du conducteur ou de l'accompagnateur, voire à 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 afin d'adapter la durée de fonctionnement ou même de réduire la consommation d'énergie.
• Sous-système ATP au sol. Ce sous-système gère toutes les communications avec les trains dans sa zone. En outre, il calcule les limites de l'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.
• Sous-système ATO au sol. Il est chargé de contrôler la destination et les objectifs de régulation de chaque train. La fonctionnalité ATO en voie fournit à tous les trains du système leur destination ainsi que d'autres données telles que le temps d'arrêt (en) dans les gares. En outre, elle peut également effectuer des tâches auxiliaires et non liées à la sécurité, y compris, par exemple, la communication et la gestion des alarmes/événements, ou la gestion des commandes de saut de station/de mise en attente.
• Sous-système de radiocommunication. Les systèmes CBTC intègrent un système de radio numérique en réseau au moyen d'antennes ou de câbles rayonnants pour la communication bidirectionnelle entre l'équipement de voie et les trains. La bande des 2,4 GHz est couramment utilisée dans ces systèmes (comme pour le WiFi), bien que d'autres fréquences radio alternatives telles que 900 MHz (US), 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 de servir d'interface entre l'opérateur et le système, en gérant le trafic conformément aux critères réglementaires spécifiques. D'autres tâches peuvent inclure la gestion des événements et des alarmes, ainsi que le rôle d'interface avec les systèmes externes. Il peut également embarquer des algorithmes de régulation de trafic ferroviaire permettant des gains de consommation ou d'aider le régulateur à revenir à une situation nominale lors de situations dégradées (incident voyageur, poignée d'alarme tirée...).

Illustration d'un centre de commandement avec système ATS.

• 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 bordure de voie tels que les appareils d'aiguille ou les signaux, ainsi que d'autres fonctionnalités connexes. Dans le cas de réseaux ou de lignes plus simples, la fonctionnalité de l'enclenchement peut être intégrée dans le sous-système ATP au sol.

Technologies de communication

Plusieurs technologies sont possibles pour réaliser les échanges haut débit entre les équipements au sol et les trains. La transmission peut se faire soit :

• par tapis de sol, que l'on trouve sur les lignes de métro automatiques développées avant l'utilisation des communications radio à cet effet, comme le métro de Lille, la ligne D du métro de Lyon, ou encore les ligne 6 et anciennement ligne 14^[4] du métro de Paris ;
• par les rails, comme le système SACEM sur le RER A^[5] ;
• par radio, comme sur la ligne L du métro de New York exploité par la Metropolitan Transportation Authority (MTA), ou sur les ligne 1, ligne 3, ligne 4, ligne 5, ligne 9, ligne 11, ligne 13, ligne 14 exploitées par la Régie autonome des transports parisiens (RATP).

La présence sur le terrain des technologies de communication précédemment citées n'implique pas forcément la présence d'un CBTC. Par exemple, le pilotage automatique du métro de Paris utilise un tapis de sol pour la communication unidirectionnelle sol-train et est basé sur des circuits de voie. La TVM, utilisée sur les lignes à grandes vitesses en France entre autres, utilise une transmission par les rails unidirectionnelle sol-train pour la signalisation en cabine et est basée aussi sur des circuits de voie.