Alors que quelques voitures et métros roulent déjà de façon autonome, les trains vont suivre le mouvement. L’un des prérequis pour cela est une infrastructure adaptée, pouvant signifier au train s’il est libre d’avancer ou non.

Une locomotive diesel de la Deutsche Bahn reçoit un signal : « Feu rouge à la prochaine section. Réduction progressive de la vitesse et arrêt. » Cependant, sur la voie, l’on ne peut voir aucun signal lumineux ; c’est le système de commande électronique du train qui a donné l’ordre. Celui-ci a reçu l’information concernant le feu rouge plusieurs kilomètres en amont grâce à un signal virtuel installé directement sur la voie.

Telle est la base de travail de la Deutsche Bahn qui travaille depuis plusieurs mois sur son système ATO (Automatic Train Operation). Les premiers tests grandeur nature sont prévus pour l’été 2017 sur le tracé de la Erzgebirgsbahn, traversant les monts métallifères allemands, où les trains de fret sont légion.

 

Les fonctions du train autonome de la Deutsche Bahn

Comme dit précédemment, l’un des prérequis pour automatiser un train est que ce dernier embarque un système de commande interagissant avec l’infrastructure au sol. C’est ce sur quoi travaille actuellement la filiale DB Netz (DB « réseau ») de la Deutsche Bahn. Le système est baptisé ETCS (European Train Control System). Il est aujourd’hui capable d’assumer deux fonctions de façon autonome :

  • Arrêter un train : si le conducteur ne réduit pas sa vitesse / ne freine pas à hauteur d’un signal indiquant une réduction de vitesse, le système le fera à sa place en s’assurant que le train freine.
  • Réduire la vitesse d’un train : si le conducteur dépasse une vitesse limite, le train réduira le couple émis par le moteur pour ralentir le train et le maintenir à la vitesse programmée pour le tronçon de la voie.

Ces deux fonctions garantissent une base solide pour faire rouler les trains de façon autonome. En théorie, le conducteur pourrait mettre plein gaz et laisser l’ETCS gérer la vitesse ou l’arrêt d’urgence du train. Dans les faits, l’infrastructure n’est pas encore suffisamment développée pour le permettre à grande échelle.

 

Différents niveaux d’automatisation

Pour comprendre le travail de la DB Netz sur le système ETCS, il est important de comprendre les trois niveaux d’automatisation qui sont applicables aux trains, aussi appelés GoA (Grades of Automation).

  • GoA 1 : Un système de contrôle du train permet de recevoir des signaux transmis par des balises installées le long de la voie. La DB appelle ce système également « Punktförmige Zugbeeinflussung » (PZB), que l’on peut traduire par « Système d’influence de train par points »
  • GoA 2 : Le système de contrôle ici ne reçoit non pas ses signaux par des balises mais par le réseau mobile (4G ou 5G dans le futur). La DB appelle ce système « Linienzugbeeinflussung » (LZB), que l’on peut traduire par « Système d’influence de train par ligne ».
  • GoA 3 : Aussi appelé MTO (Manless Train Operation) ou UTO (Unattended Train Operation) ne prévoit plus de conducteur en cabine, se basant sur les technologies GoA 1 et 2 en y ajoutant la communication entre trains et en améliorant l’échange d’information avec le RBC (Radio Block Center) pour y intégrer des commandes plus complexes (aiguillages, demandes d’information précises…).

A terme, la Deutsche Bahn prévoit que les systèmes GoA 1 et GoA 2 soient rebaptisés ETCS 1 et ETCS 2.

 

Une technologie d’automatisation hybride

Il est prévu que jusqu’à une vitesse de 160 km/h, ce soit l’ETCS 1 qui soit utilisé, où la réception de données se fait donc par le biais de balises situées le long des voies. Le transpondeur installé à bord de chaque train pourra recevoir et interpréter ces données venant de deux types de balises distinctes :

  • Les balises à données fixes : elles contiennent des informations sur la voie qui sont automatiquement communiquées à l’ensemble des trains. Il s’agit notamment de données sur les virages, dénivelés ou de limitations de vitesse.
  • Les balises à données transparentes, également appelées balises contrôlables, peuvent quant à elles générer des messages différents à des types de trains différents. Elle est également capable de transférer des messages qui dépendent directement d’une situation.
    Ces balises font partie d’une unité électronique (LEU), installée directement au sein d’un dispositif signalétique. En fonction du contenu de ce signal (limitation de vitesse, feu orange, feu rouge etc…), la balise le transférera au train, au sein duquel le « European Virtual Computer » (EVC) l’interprétera et ajustera les commandes de bord en conséquence (cela peut aller d’une mise à jour de la vitesse maximale autorisée jusqu’à un freinage d’urgence automatique).

Au-delà de 160 km/h, l’on passe dans le domaine du ETCS 2, où l’ensemble des communications se fait par le biais du réseau mobile. Ici la pièce maîtresse est le Radio Block Center (RBC), installé aux abords de la voie et gérant le cas échéant plusieurs tracés géographiquement proches de manière simultanée. Le train communique en permanence avec le RBC auquel il envoie sa position et sa vitesse en continu. Ces données sont générées par l’ordinateur de bord EVC qui se base à la fois sur les données des balises à données fixes et les capteurs radio du train (tels que des radars Doppler par exemple).

L’ordinateur de bord récupère en retour des informations sur le tracé programmé pour le train, tels que la signalétique, les positions des aiguillages, etc. Grâce à toutes ces données, il calcule une « Movement Authority » ou autorisation de mouvement transmise à la cabine conducteur.

Vu qu’à ces vitesses, le conducteur ne roule plus à vue mais aux instruments, les signaux lumineux sur des lignes réservées aux trains grande vitesse deviennent obsolètes.

 

Développer l’infrastructure au niveau européen

Le premier tronçon de voie au niveau ETCS 2 a été finalisé en décembre 2015 dans le Land de Thüringen, entre Erfurt et Leipzig. Cela représente un peu plus de 120 kilomètres. D’ici quelques années la Deutsche Bahn veut avoir équipé 2500 km de voie sur l’ensemble du pays, sachant que l’ensemble du réseau représente environ 33 000 km de voie.

Mais le système n’est pas déployé qu’en Allemagne. ETCS a été pensé dès le début comme un système européen, même s’il n’y pas encore de décision politique à l’échelle européenne qui a été prise à ce sujet. Un système unifié aurait une incidence certaine sur les trajets internationaux, ne nécessitant plus de locomotives capables d’interpréter plusieurs systèmes différents. Aujourd’hui encore, il est parfois nécessaire de changer de locomotive lors du passage d’une frontière, voire même de changer de conducteur.

 

Une majorité de nouveaux trains européens « ETCS-ready »

Pour la communication au niveau ETCS 2, tout train nécessite un système de transmission au standard GSM-R (Global System for Mobile Communications – Rail). Pour prévenir tout dysfonctionnement, ce système est installé en redondance sur tous les trains (2 systèmes par locomotive). Depuis 2015, tout nouveau train doit posséder ce système pour être mis en service. Des trains plus anciens peuvent être mis à niveau, à des niveaux de coûts différents selon les modèles.

Mais jusqu’ici, cela reste le conducteur qui conduit le train… bien qu’il soit grandement aidé par des systèmes tels que l’ETCS.

 

Le GoA 3, bientôt une réalité ?

Ce n’est qu’en sous-catégorie STO (Semi-Automatic Train Operation) du niveau ETCS 2 que le conducteur donne le contrôle à la machine. Il reste cependant à bord pour activer les moteurs, ouvrir et fermer les portes. Mais en circulation, c’est le train qui roule automatiquement, sous la supervision du conducteur, qui peut le cas échéant ajuster des paramètres tels que la vitesse, la distribution de puissance et autres. C’est en sous-catégorie DTO (Driverless Train Operation), que le conducteur ne s’occupe effectivement plus que des portes et de la gestion de potentielles pannes et erreurs.

Ces deux sous-catégories ont néanmoins une chose en commun : il reste un siège de conducteur, des commandes en cas d’urgence et… un conducteur.

C’est en GoA 3 (qui sera peut-être baptisé ETCS 3 ?) que le conducteur ne sera plus à bord. L’on appelle cette catégorie MTO (Manless Train Operation) ou UTO (Unattended Train Operation) selon les pays. Tel que pour les voitures autonomes, ici ce n’est que la machine qui a le contrôle. Pour que cela soit possible, l’ordinateur de bord doit être capable de savoir où il se trouve et où il va, mais également de communiquer avec le RBC (Radio Block Center) pour faire changer des aiguillages. Enfin, il doit être capable de communiquer avec ses semblables (d’autres trains autonomes) pour définir qui a la priorité sur un tronçon de voie par exemple.

 

Des limitations, mais pas pour longtemps

Ces systèmes sont à l’étude mais restent très complexes. Une des limitations technologiques est la vitesse de transmission des données sur le réseau 4G, qui n’offre pas de débit ascendant suffisant à ce jour.

Il y a également une question juridique qui se pose, autant au niveau des autorisations de mise en service que des responsabilités en cas de problème. La Deutsche Bahn a annoncé vouloir travailler sur ces sujets directement avec le gouvernement fédéral pour répondre à ces questions.

Le PDG de la Deutsche Bahn se montre confiant : « Je pense que d’ici 2021, 2022 ou 2023 nous serons en mesure de faire rouler nos trains de façon complètement automatique sur une partie de notre réseau. » disait-il à la Frankfurter Allgemeine Zeitung en juin 2016.