Actuellement, si un train s'engage sur une voie unique alors qu'il ne devrait pas s'y trouver, il n'y a aucun moyen de le rattraper. On peut uniquement envisager qu'il soit muni d'une liaison téléphonique et que la ligne soit prévue à cet effet, ce qui est rarement le cas sur un chemin de fer à voie unique.
Le système proposé est totalement indépendant des infrastructures existantes et ne nécessite aucune infrastructure particulière autre que le système de balises et éventuellement le raccordement automatique sur un système d'alarme se situant dans la locomotive. Il peut donc être installé sur des installations à faible niveau d'infrastructure.
Figure 1 : Système de prévention des incidents, présentation générale
On équipe une locomotive avec une balise INMARSAT ou PRODAT qui lui permet de communiquer avec une autre balise équivalente se trouvant en un point fixe du réseau. On couple un récepteur GPS avec la balise INMARSAT située sur le train (voir figure 1). Au moins une autre locomotive est équipée d'une balise standard-C couplée à un récepteur GPS (voir la même figure). En pratique les locomotives susceptibles de circuler sur la voie unique devraient toutes être munies d'un balise satellite, quoique l'on puisse imaginer un nombre plus réduit de balises.
La balise fixée sur les motrices renvoie les indications de position de GPS vers la balise se trouvant au point fixe, relié à la station de contrôle du réseau. En cas de problème, par exemple deux trains en sens inverse sur la même voie unique, la balise au point fixe renvoie des ordres vers les motrices de manière à résoudre le problème, par exemple alarme suivie d'une action sur les freins.
INMARSAT est un système de satellite géostationnaires très voisin du système INTELSAT. Il est essentiellement tourné vers les télécommunications maritimes. Le Standard C est un standard de télécommunication permettant d'envoyer des messages courts. Cette particularité en fait un excellent système de transfert de données de mesures et d'envoi d'ordre simple. Il couvre complètement la planète ce qui rend totalement universel un système basé sur standard-C. D'autre part INMARSAT comme INTELSAT est un organisme international reconnu par l'ONU, ce qui assure la pérennité du système.
Figure 2 : Schéma de mesures sur un barrage via INMARSAT
ME2i utilise standard C sous INMARSAT pour réaliser des mesures sur des barrages ou des infrastructures de Génie Civil (voir figure 2).
La transmission de données de et vers le satellite se fait suivant le schéma des figures 2 et 3 : le message envoyé de ou vers la balise sur site passe par une boîte au lettre informatique placée dans une station côtière qui pilote les liaisons INMARSAT. Cette transmission est généralement réalisée à la demande d'un utilisateur raccordé à la boîte au lettre STANDARD-C via un réseau téléphonique câblé.
Elle peut toutefois être remplacée par une transmission de balise à balise sans réseau téléphonique classique. On peut faire de la liaison de balise à balise, les deux balises pouvant d'ailleurs se trouver sur des mobiles, des voitures de chemin de fer par exemple.
Figure 3 : Schéma de liaison directe mobile à mobile, exemple des essais réalisés par ME2i et la SNCF
Le temps de transmission de balise à balise est de l'ordre de 2 minutes du fait du passage par la messagerie. Il est raisonnable de n'envoyer des messages qu'à ce rythme. Les évolutions prévues d'INMARSAT amélioreront la rapidité de transfert.
Le système GPS, plus précisément NAVSTAR GPS pour Navigation Satellite Time And Ranging Global Positioning System est un système de positionnement par satellite développé et mis en service par le département de la Défense des Etats-Unis (DoD).
Il est composé de trois entités :
- le système satellite qui comprend 24 satellites tournant autour de la terre en orbite circulaire et décalés en longitude et en latitude de manière telle que 6 d'entre eux soient visibles en tout point de la terre;
- cinq stations terrestres répartis sur le globe qui effectuent tous les calculs de paramètres d'orbite et de correction d'horloge et qui effectuent les fonctions de téléchargement des logiciels dans les satellites;
- les récepteurs GPS totalement passif qui ne font que recevoir des informations venant des satellites et qui les traitent de manière à calculer un temps, une position ou (et) une vitesse.
La figure 3 représente le schéma de fonctionnement GPS. Quatre satellite au moins sont visibles du point "mobile" où est situé un récepteur GPS. Les quatre satellites envoient la valeur de leur horloge atomique et de leur position au récepteur GPS "mobile" qui compare ces temps avec celui de son horloge.
Figure 4 : Schéma de GPS STANDARD sans correction différentielle
Avec 4 satellites on obtient trois Dt corrigés d'une partie des erreurs dues à la traversée de l'atmosphère et aux imprécisions d'horloge; en multipliant par la vitesse de la lumière on a trois Dx. Ces trois distances permettent de faire une triangulation sphérique et donc d'obtenir la position du mobile à ± 100 mètres près.
Diverses techniques permettent d'améliorer la précision de GPS basé sur une réception d'une seconde fréquence GPS, de mesure d'effet Doppler et de mesures différentielles en reportant sur un mobile les corrections effectuées en un point fixe qui peut être situé à plusieurs centaines de kilomètres du mobile.
Le département études et recherches de la SNCF a mis au point avec la société ARNATRONICS un couplage de récepteur GPS avec une cartographie informatisée SNCF permettant de localiser un train en coordonnées "chemin de fer" à partir des données de GPS.
ME2i a apporté sa technique de transmission par INMARSAT pour envoyer une correction différentielle au mobile via satellite.
On voit donc qu'il y a plusieurs manières de se servir de GPS et donc en pratique plusieurs récepteurs GPS qui traitent les signaux d'une manière plus ou moins sophistiquée. Très schématiquement les performances sont les suivantes :
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précision 1 |
GPS non corrigé placé en un point fixe |
± 100 mètres |
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précision 2 |
GPS corrigé en différentiel temps simple |
± 10 mètres |
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précision 3 |
GPS corrigé en différentiel Doppler |
± 1 à 3 mètres |
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précision 4 |
GPS corrigé différentiel de phase placé en un point fixe |
± 1 à 3 cm |
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précision 1' |
GPS non corrigé monté sur un mobile : avion, train, automobile |
± 200 mètres |
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précision 2' |
GPS corrigé en différentiel, monté sur un mobile |
± 20 mètres |
- Après aiguillage
du train
On suppose que le réseau est essentiellement un réseau avec grandes sections à voies uniques avec des gares en tête de ligne et quelques gares de croisement. Une dizaine de trains peuvent circuler équipés du système GPS + INMARSAT présenté plus haut.On suppose (voir figure 5) qu'un train (A) s'est engagé sur une voie unique, alors qu'un autre train (B) est déjà engagé sur cette même voie dans l'autre sens.
Par INMARSAT et GPS, la gare tête de réseau équipée d'une station fixe INMARSAT suit automatiquement les trains. La position des trains est supposée connue chaque fois que le message INMARSAT envoyé par le train est arrivé à destination, soit un message toutes les deux minutes. En prenant comme hypothèse une vitesse de 60 km/h, vu qu'un des deux trains est en phase de démarrage et que ce type de réseau ne se prête pas aux grandes vitesses, on constate que les trains ne peuvent parcourir que 4 kilomètres avant que l'information d'anomalie ne soit expédiée. En tenant compte d'un délai d'une minute supplémentaire pour prendre connaissance, comparer automatiquement à la position précédente, on obtient une distance de l'ordre de 6 kilomètres avant de pouvoir intervenir en envoyant une alarme ou en déclenchant automatiquement le système de freinage. Ceci est tout à fait dans la norme des sections à voie unique. On peut évidemment faire mieux en :
- réduisant le pas de temps de l'hypothèse (2 minutes)
- en transmettant directement de train à train dans un secteur donné
On peut évidemment se servir du système pour envoyer des instructions à l'ensemble des trains ou à un train particulier; on peut donc faire en plus de la signalisation.
On peut aller plus loin dans le positionnement en utilisant le localisateur SNCF qui permettra de discriminer plus finement les voies et permettra une meilleure anticipation des problèmes dans le temps.
A plus long terme, le passage au GPS différentiel permettrait sans doute de faire pénétrer le système dans la gare de triage elle-même et pas uniquement sur la section à voie unique.
Le système de base exposé ci-avant est industriellement réalisable dès ce premier semestre 1994 vu que la constellation complète de satellite GPS est en place et que l'on a pu vérifier sur voiture SNCF que les transmissions INMARSAT étaient réalisables au rythme prévu avec une fiabilité apparemment totale.
Figure 5 : Système de prévention des incidents, version système de secours ultime en cas de mauvais aiguillage d'un train - Prévention de
la collision avant aiguillage du train
Le système de prévention des incidents présenté comme un système de secours de dernier recours, peut utilement être employé comme aide à la prise de décision avant d'envoyer un train sur une voie unique. Il suffit pour cela que le décideur local soit relié à la gare principale par un système de télécommunication par fil ou plus logiquement également par INMARSAT.
Figure 6 : Système de prévention des incidents, version moyen de contrôle de voie libre
Avant d'envoyer un train sur le réseau à voie unique on peut envisager qu'il y ait demande obligatoire d'autorisation au système de prévention. En admettant un raccordement téléphonique avec la balise principale, celle-ci donne son accord d'envoi de train après avoir vérifié que la ligne est libre sur un secteur suffisant.
- Indépendance totale
vis-à-vis des systèmes préexistants
Les systèmes existant n'ont à fournir que la puissance électrique sous 12 ou 24 Volts et éventuellement des micro-ordinateurs en tête de réseau. Le système de prévention des incidents ne se rattache à rien de ce qui existe ; il peut donc être adapté sur tous réseaux, quel que soit son niveau technique.Il fonctionne indépendamment de tout repère au sol, ce qui permet de détecter un train arrêté n'importe où ce qui ne peut être le cas des systèmes où l'on voit défiler le train par rapport à un balise au sol.
- Ouverture vers une signalisation
Comme le système peut transmettre des informations de sécurité, il peut également véhiculer des messages d'information de et vers la locomotive qui peuvent être complémentaires à la signalisation classique du réseau. Aucune infrastructure nouvelle n'est nécessaire; il ne s'agit plus que de logiciels. - Faible coût
Le coût des transmissions devrait dans tous les cas de figure rester inférieur à 200 Francs par heure et se situer plutôt entre 100 et 150 Francs l'heure.Les coûts d'installation et des balises dépendra du réseau et de la quantité de balises installées. Pour 5 à 10 motrices on devrait être inférieur à 200.000 Francs par motrice (estimations 1996)
- Sécurité de
la transmission
Comme tout système de communication, les réseaux INMARSAT ou PRODAT peuvent se trouver saturés. Toutefois, le risque est faible pour des réseaux à usage spécialisé ne devant pas a priori présenter des à-coups brutaux de trafic.- Standard-C de par son faible débit est l'élément qui devrait être saturé en dernier bien après les standards beaucoup plus gourmands en ressources.
- L'Organisation internationale du Trafic Maritime a certifié INMARSAT-C comme répondant aux exigences du système global de sécurité et de secours maritime avec une couverture pratiquement totale des océans et des voies navigables. INMARSAT-C est d'ailleurs largement utilisé dans ce but. Un tel système ne peut se permettre des failles importantes.
- PRODAT de son côté a un marché potentiellement beaucoup plus large qu'INMARSAT et devrait trouver assez aisément son équilibre et présenter le niveau de sécurité suffisant pour le ferroviaire.
- Assurance de longévité
Outre le fait qu'il est indépendant de toute infrastructure déjà existante, le système tel qu'exposé est garanti d'une pérennité. INMARSAT et GPS sont adoptés à grande échelle au niveau mondial; ils ne risquent pas d'être abandonnés du jour au lendemain. D'autres systèmes qui pourraient être mis en place par la suite seront sans doute compatibles avec les systèmes existant.Le risque de fermeture aux utilisations civiles de GPS est très faible compte-tenu que le maître d'ouvrage du système est le ministère américain des transports en association avec le ministère de la Défense. Des normes d'utilisation GPS sont devenues pratiquement aussi officielles que les normes de télécommunications publiques internationales.
- Interférence impossible
avec les réseaux de radiocommunication existants.
Il travaille dans des fréquences supérieures au gigahertz assignées aux transmissions par satellite qui ne viennent pas perturber les télécommunications radio au sol; il ne peut pas non plus être brouillé par elles. - Système par essence
évolutif
Il est évolutif dans le sens qu'il peut être mis progressivement en place et il est évolutif parce que l'on peut lui ajouter des fonctions : localisateur SNCF, signalisation; il est évolutif enfin parce que sa précision et ses performances peuvent augmenter par adjonction d'éléments supplémentaires ne remettant pas en question l'investissement de base.Dans sa version la plus simple exposée ci-avant, il peut d'abord n'équiper que quelques unités du parc de matériel ferroviaire; le système pouvant même être déplacé d'une motrice à l'autre. Le nombre d'unités équipées peuvent ensuite être augmentées progressivement.
La précision du système peut également évoluer en lui ajoutant le localisateur SNCF. A l'inverse, si le localisateur SNCF est installé sur un réseau, ce système en est le complément naturel.
- Système dédié
ne pouvant être détourné de son objet
Le système ne peut être dévoyé pour devenir un téléphone. PRODAT comme INMARSAT-C sont avant tout des messageries rapides pour petits messages; il ne peuvent être transformés en poste téléphonique à usage général ce qui pourrait être le risque pour un système à plus haut débit comme Standard M et Standard A, GLOBALSTAR par exemple. - Le futur
Les inconnues restent les performances finales de GPS et d'INMARSAT. Comme le souligne tous les commentateurs de GPS, il a toujours dépassé les prévisions faites quelques années auparavant. PRODAT bien que conçu peu de temps après INMARSAT est délà une évolution d'INMARSAT. Les évolutions aujourd'hui chuchotées se révéleront sans doute dépassées dans à peine quelques années, ce qui laisse supposer que l'on pourra à court-terme gérer un réseau voie par voie par une évolution du système de prévention des incidents réalisable aujourd'hui, sans réelle rupture entre les différentes étapes.