➤ À retenir : Évolution du concept
Le système européen de gestion du trafic ferroviaire (ERTMS) est un système européen unique de signalisation et de contrôle de la vitesse. Il doit remplacer à terme l’ancien système de signalisation propre à chaque pays.
Le système de signalisation actuel
Quelque soit son modèle et son pays, la signalisation ferroviaire classique repose sur trois paramètres essentiels :
- la détection des trains à l’aide de circuits de voie ;
- l’observation et l’obéissance à la signalisation latérale, par signaux lumineux et par panneaux indicatifs (de vitesse par ex.);
- l’occupation d’une section de voie (1500m ou plus) par un seul train.
Ces éléments conditionnent très largement le débit en ligne : plus un train traîne, moins vite il sort de sa section, au plus les trains derrière lui doivent attendre. Chaque section :
- est protégée à l’entrée par un signal lumineux;
- est signalée occupée ou libre par le système de détection par circuit de voie.
➤ Voir les principes généraux de la signalisation ferroviaire
Les défauts de la signalisation actuelle
Le premier défaut est qu’on n’a jamais la certitude que le conducteur a bien vu l’aspect du signal, ou le signal lui-même ! Il y a encore chaque année des dépassements de signaux au rouge, pour la plupart sans conséquence car à petite vitesse dans des faisceaux de manoeuvres.
Le second défaut est la découpe en sections de la totalité des lignes ferroviaires, mêmes locales. Tant qu’un train y demeure, aucun autre ne peut y entrer. On ne peut donc pas “rapprocher” des trains qui auraient la même vitesse, comme deux autos qui se suivent par exemple.
On a donc recherché :
- à décliner les ordres de mouvements dans la cabine du conducteur;
- à rapprocher les trains tout en conservant une distance minimale entre eux.
La première amélioration a été la plus “facile” à mettre en oeuvre. Elle est apparue dans les années 80 avec le TGV, où des vitesses de 250 à 320km/h ne permettent plus d’observer des signaux latéraux. Le conducteur reçoit donc l’ordre à bord de freiner ou d’être autoriser à atteindre la vitesse maximale indiquée sur un écran : 200, 250, 300 km/h.
La seconde amélioration est nettement plus tendue sur le plan de la sécurité. Rapprocher les trains suppose de savoir à tout instant où ils se trouvent les uns des autres. Or, avec le système de section, on sait que le train occupe par exemple 2 kilomètres d’une section X mais on ne sait pas où exactement il se trouve au sein de ces 2 kilomètres. On a donc songé à raccourcir les sections pour les libérer plus rapidement, ce qui a posé le problème des distances minimales requises de freinage, surtout à grande vitesse. L’autre problème est d’obtenir en temps réel plusieurs données cruciales du train, comme sa vitesse à l’instant T. Pour cela il fallu remettre à plat tout le système de transmission, et l’harmoniser au niveau européen.
C’est ainsi qu’est né l’ERTMS – European Railway Traffic Management System – lequel comporte deux composantes essentielles :
- l’ETCS – European Train Control System – qui est un système de protection automatique des trains (ATP) fonctionnant avec des balises dans la voie qui envoient des messages vers un ordinateur à bord de chaque train, lequel en déduit une traduction sur un écran, par exemple un chiffre de vitesse ou un ordre de freinage à respecter par le conducteur. L’ETCS est destiné à remplacer à terme les systèmes nationaux existants;
- le GSM-R, qui est un système de transmission de données entre le train et le centre de contrôle, mais cette fois non plus par balises mais par transmission GSM propre aux chemins de fer, en 2G. L’obsolescence technologique des 2, 3 et 4G et l’arrivée de la 5G va complètement redéfinir cette transmission GSM-R sous la forme d’une nouvelle spécificité ferroviaire appelée FRMCS, et dont nous parlerons à une autre page.
Deux niveaux d’ETCS
Afin de répondre à un maximum de cas de figure, et souvent aussi d’atténuer les coûts d’implantation, le système ETCS dispose de manière très basique de trois niveaux principaux :
- ETCS N1 : option minimale avec malgré tout des données transmises ponctuellement à bord du train par balises dans la voie. Le conducteur observe la signalisation latérale dans le mode L1 LS (Light Supervision). Il observe son écran de bord (DMI) en cas de mode L1 FS (Full Supervision). On reste avec le concept de découpe en sections. La transmissions des données n’est que ponctuelle, via les balises dans la voie;
- ETCS N2 : option élargie où les données sont transmises en continu à bord du train par GSM-R, les balises ne servant plus qu’à l’odométrie. Le conducteur regarde l’écran à bord (DMI). On reste avec le concept de découpe en sections. La transmissions des données est permanente, via les antennes GSM-R disséminées le long de la voie. Le niveau 2, tel qu’il est défini dans la STI CCS 2023, a fusionné avec le niveau 3 de l’ETCS, tels qu’ils étaient décrits dans la précédente STI CCS.
Le schéma ci-dessous, très synthétisé, montre les deux cheminements des données : soit par balises au sol (circuit en noir), soit via les mâts GSM-R (circuit en rouge).
Dans le cas de l’implantation de l’ETCS niveau 1 et 2, ce sont les circuits de voie traditionnels qui informent le centre de contrôle de la présence ou non d’un train, ce qui ne diffère pas fondamentalement de la signalisation par “section” présentée plus haut. En cas d’ETCS niveau 3, sections et circuits de voie disparaissent et la détection des trains n’est effectuée que par positionnement GPS combiné avec les données vitesse du train en temps réel transmises par GSM-R. On appelle cela le “bloc mobile”, mais son aspect révolutionnaire ne dispose à ce jour d’aucune application concrète en Europe, au contraire de l’ETCS niveau 1 et 2.
Le coût de l’ETCS N3 a milité pour la recherche d’une formule hybride pour des petites lignes régionales, associant des sections en campagne sans circuits de voie et des zones en gare avec circuit de voiec ou compteurs d’essieux de manière limitée. Des essais sont encore en cours actuellement pour évaluer la meilleure option.
Sécurité maximale
Franchir une balise induit que le train enregistre un ordre de mouvement donné. Si cet ordre est “ralentissement”, alors le conducteur doit enclencher endéans quelques secondes une action de freinage. S’il ne le fait pas, le freingage d’urgence est enclenché et le train est mis à l’arrêt. Par ailleurs, avec un écran donnant des indications chiffrées à bord, le conducteur peut suivre les ordres de vitesse de manière bien plus sécurisante qu’en observation de panneaux extérieurs. En cela, l’ETCS est un système nettement plus sécuritaire que les signalisations latérales actuelles.
Une technologie harmonisée au niveau européen
Ce qui a été harmonisé au niveau européen, c’est le contenu des paquets de messages envoyés par les balises vers le train, l’architecture de l’ordinateur de bord, la technologie des antennes sous le train, l’amplitude des normes GSM-R au niveau des fréquences Hertz et le design de l’écran de bord auquel obeit le conducteur. Le but était qu’il n’y ait plus de choix nationaux incompatibles entre eux, ce qui simplifiait aussi le travail des constructeurs qui peuvent ainsi vendre leur matériel roulant dans n’importe quel pays européen.
Qui assure la supervision européenne, et sur quelle base ?
L’European Railway Agency (ERA), sise à Valenciennes, est l’agence unique qui joue le rôle d’autorité de conception du système pour l’ERTMS. Elle se base sur la Spécification Technique d’Interopérabilité (STI) relative aux sous-systèmes de contrôle-commande et de signalisation embarqués et au sol. Cette STI s’applique aux sous-systèmes de contrôle-commande et de signalisation embarqués des véhicules qui sont (ou sont destinés à être) exploités et aux sous-systèmes de contrôle-commande et de signalisation au sol du réseau ferroviaire de l’Union européenne.
Actuellement, ce sont les versions ETCS baseline 3 version 2 (R2) et GSM-R baseline 1 qui sont d’application à l’ensemble du territoire de l’Union européenne.
Du côté de la transmission de données, la Commission européenne a défini les conditions d’utilisation des bandes de fréquences FRMCS : les chemins de fer auront désormais accès à une nouvelle bande de fréquences à 1900 MHz. Un grand pas vers l’introduction de FRMCS sur la base de la norme 5G mobile. Pour le rail, cela signifie que les applications du système ferroviaire numérisé utiliseront à l’avenir une plate-forme de communication performante avec une faible latence et des débits de données élevés.
Qui fournit des solutions ERTMS / ETCS ?
Ce sont des entreprises spécialisées, tant pour le matériel “sol” que le matériel “à bord”. Quelques exemples :
- Alstom, avec ses quatre solutions principales au sol : Atlas 100 (niveau 1), Atlas 200 (niveau 2), Atlas 400 (faible densité) et Atlas 500 (haute densité);
- Bombardier, maintenant vendu à Alstom, avait aussi sa solution Interflo;
- Siemens, avec ses solutions Trainguard 100, 200 ou 300 ainsi que son Unité embarquée Trainguard (OBU);
- Thales (vendu à Hitachi Rail), avec son système de gestion du trafic ARAMIS utilisé quotidiennement dans plus de 55.000 trains dans le monde.
Ces entreprises proposent des solutions très larges, y compris dans les cabines de signalisation ou sur les éléments en campagne, quand d’autres challengers se concentrent sur certains aspects de l’ETCS.
Toute l’Europe en ETCS ?
L’implantation de l’ETCS nécessite non seulement de revoir les équipements de la voie, mais aussi du matériel roulant qui doit disposer à bord de l’ordinateur EVC, dans antennes pour “lire” les balises et le GSM-R, et des écrans pour le conducteur. L’addition est souvent salée malgré un saut évident dans la sécurité. Chaque pays a donc organisé un plan de déploiement, certains sur leur réseau complet, d’autres sur des lignes principales ou a fort trafic. L’implantation de l’ETCS est d’autre part cofinancé par l’Europe quand on l’installe sur un des 9 corridors RTE-T, ce qui devrait être un incitant pour le déploiement.
Conclusion provisoire
Il est prévu à terme – mais qui peut garantir une date ? -, qu’une grande majorité des lignes d’Europe soit dotée de l’ETCS. De quel niveau ? Cela est variable d’une ligne à l’autre et des décisions nationales. Retenons que les balises dans la voie et le GSM-R (bientôt FRMCS), sont les éléments clés de la sécurisation des trains puisque c’est dorénavant ces voies de communication qui transmettent les ordres de mouvement à bord.
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