Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Institut françaisdes sciences et technologiesdes transports, de l’aménagementet des réseaux

Le véhicule connecté dans les transports guidés: état de l’art et

perspectives

Marion Berbineau, Directrice de RechercheIFSTTAR/COSYSForum « Systèmes et Logiciels pour les NTIC dans le Transport » ‐ 24 novembre 2016 ‐MLV

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Les Transports publics

2

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Les challenges pour une mobilité et un développement durables

Optimiser l’usage des infrastructures pour rendre les transports terrestres plus efficaces et préserver l’environnement

Augmenter la sécurité des déplacements Garantir un niveau de sécurité des systèmes le plus

élevé possible et au moins équivalent à l’existant Rendre les transports publics plus attractifs Réduire les coûts d’exploitation et de maintenance Offrir de nouveaux services aux personnels, aux

conducteurs et aux clients des transports publics Développer et favoriser la multimodalité par une

information pertinente et personnalisée3

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Historique• Pendant très longtemps, les seules

informations dont disposait le conducteur à bord de son engin moteur étaient des informations visuelles fournies par la signalisation latérale.

• Les premiers systèmes de transmission ont été conçus pour les besoins de la sécurité: répétition de la signalisation latérale à bord de l'engin moteur.• En France, apparition du système brosse-

crocodile dès 1872.• début des années 60, apparition de

liaisons radiotéléphoniques entre postes de régulation et engins de traction

• Transmission de données pour la maintenance

4

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Contexte

La complexité des systèmes et la nécessité d’optimiser la gestion du trafic demandent de satisfaire 3 fonctions vitales:

Communiquer, Localiser/ Naviguer Surveiller

Les informations sont partagées entre les différents acteurs du système: gestionnaire d’infrastructure, gestionnaire des trains, gestionnaire de la maintenance, des horaires, des clients…

5

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Besoin de disponibilité, continuité de service, débit, robustesse, mobilité,

interoperabilité

Communiquer

Optimisation de la couche PHYRadio Intelligente Intégration d’antennes, blindage,

gestion des interférencesSystèmes d’informationSécurité-sûreté (intégrité,

confidentialité, sûreté de fonctionnement)

Mobilité Intelligente pour les Transports PublicsCNS pour la gestion du trafic

Détection des situations potentiellement dangereuses le long des voies, intersections, passages à niveau, intérieur des véhicules

Diagnostic et maintenance , prévention Alerte Facteurs humains

Détecter, alerter, surveiller

Surveiller

améliorer et quantifier la qualité de service en environnements contraints

• Disponibilité, précision, intégrité• Sûreté de fonctionnement• Standardisation / Certification• Couplage avec des cartes

numériques, d’autres systèmes

NaviguerQoS et applications satellitaires (GNSS)

Modèles de Trafic, gestion du trafic ERTMS-ETCS, CBTC pour les métro, tram, bus Interopérabilité, convergence ERTMS-CBTC Sécurité et sûreté, sûreté de fonctionnement Information passagers, intermodalité

Prédiction et connaissance temps réel du trafic pour optimiser les flux, réduire la consommation d’énergie, informer les clients, contrôle-commande

Gestion du trafic, contrôle-commande

6

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Contexte

Deux grandes familles d’applications:

les applications sécuritaires (contrôle-commande) avec de fortes exigences en termes de robustesse, disponibilité, faible latence, temps de handover, faible perte de paquets…

les applications non sécuritaires (information voyageurs, internet, maintenance, surveillance…) avec de fortes exigences en termes de débit, faible latence, QoS

Aujourd’hui, une unique technologie ne peut répondre à tous ces besoins7

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Principe du contrôle commande

• La voie est divisée en cantons délimités par des circuit de voie. La signalisation donne l’autorisation au train d’avancer ou non dans le canton suivant.

• Pour augmenter la capacité il faut annuler les signaux afin de diminuer l’intervalle entre les trains (« movingblocks »)

i

8

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Les types de communications

9

T2TCouplage Virtuel

Connexion réseaux embarqués

T2T Télécommande des locomotives

Intérieur du train

T2G: Train‐Solcontrôle‐commande, commande à distance, maintenance, info passagers, internet à bord

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Exemples de besoins

10

Source: E. Masson, M. Berbineau, Springer 

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Contexte ferroviaire

• De nombreux systèmes sont déployés. Exemples Région Parisienne et USA

11Source: projet URC et IEEE com magasine

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Occupation du Spectre

12Source: projet CORRIDOR

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Quelques problèmes Cohabitation des systèmes, intégration Interopérabilité des systèmes Interférences volontaires ou non Continuité de service (couverture des systèmes,

gestion de la mobilité…) Intégrité de l’information Pérennité des systèmes et des composants au

regard de la durée de vie du matériel roulant Disponibilité des fréquences Débits – temps de traitement Temps d’établissement d’une connexion Temps de détection des pertes de connexion

13

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Quelques difficultés d’implémentationdes systèmes sans fil « sur étagère » pour le monde

des transports Les standards sont conçus pour l’accès internet (liens

dissymétriques – pas de haut débit dans le sens montant) La capacité est inversement proportionnelle à la taille de la

zone de couverture Les débits sont inversement proportionnels à la vitesse Les systèmes de communication haut débit sont souvent

non disponibles en dehors des zones urbaines denses Les systèmes de communication sont parfois propriétaires

(PMR) La gestion de la mobilité n’est pas nécessairement prévue

de façon simple dans le standard ( ex : WIFI) Les allocations de fréquences sont différentes dans les

différents pays d’Europe et dans le monde Les milieux de propagation sont spécifiques (tranchées,

tunnels, canyons urbains, intérieur des trains…) 14

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Systèmes urbains

CBTC: Communication Based Train Control• Système de radio sans fil pour le contrôle-

commande ferroviaire (applications sécuritaire)

• Norme : IEEE -1474

CCTV: Closed Circuit TeleVision• Système radio sans fil pour les applications

non sécuritaire – haut débit

15

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Exigences sur CBTC et CCTV

Source: IEEE ‐1474 16

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Contrôle-commande grande vitesse

17

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr 18

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr 19

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr 20

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Exigences ETCS (European train Control System)

21Radio EIRENE = GSM‐R + EURORADIO

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Les principales technologies de télécommunications

Communications ponctuelles ou par balises Communications continues par couplage magnétique Communications par radio Communications filaires à l’intérieur des véhicules Communications sur le réseaux électrique (CPL) Fibre optique

22

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Communications ponctuelles ou par balises - transports guidés

circuits de voie balises ferroviaires

• SACEM (9,9 GHz)• KVB (27 MHz – 4,5 MHz)• TVM 430 (125 – 62,5 kHz)• EUROBALISE, …

« Passe sans contact » (13,56 – 6,78 MHz)23

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Balises au sol

EUROBALISE

24

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Passe sans contact

25

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Communications continues par couplage magnétique

Par induction Ligne bifilaire Tapis pilote

Rayonnement Câble rayonnant Guide d’ondes rayonnant

26

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Communications continues par couplage magnétique

Fils conducteurs

Exemple le plus simplede tapis pilote

Ligne à fils parallèles

Antenne boucle mobile

Distance de couplage

+ I‐ I

Plan de l’antenne boucle

Conducteurs parcourus par I

Lignes de champ magnétique

Principe de la ligne bifilaire

27

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Quelques exemples

Transmission continue par les rails (SACEM)

Transmission vocale par le rail d’énergie (RATP)

Transmission continue par ligne bifilaire (MAGALY à Lyon, METEOR à Paris)

Transmission continue par ligne bifilaire croisée ( LZB à la DB) et tapis pilote (VAL),

28

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Câbles rayonnants

Dispositif de structure configurable

Antenne à constantes réparties

Antenne à très large bandeou bi-bande

29

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Les différents types de câbles rayonnants

Mode couplé(câbles fraisés, mono-fente…)

Mode rayonné(câble à fentes périodiques)

Mode mixte(câble Vario : l’atténuation longitudinaleest compensée par l’augmentation du nombre de fentes

Mode rayonné large bande30

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

IAGO : Système de communication train-sol, de localisation et de surveillance voie et rame

INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHESUR LES TRANSPORTS ET LEUR SÉCURITÉ

Source dessin: Jean RioultInvention: Marc Heddebaut, P. Degauque, D. Duhot 31

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Guide d’ondes rayonnant

Guide d’ondes rayonnant

32

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Bus Train

Bus Véhicule

Maintenance à distance (transmission de code d’erreurs)

Réversibilité de la cabine de pilotage Fonctionnement en Unités Multiples Commande/ Surveillance des équipements des rames Frein à commande électronique Contrôle de l’intégrité des trains Maintenance prédictive, diagnostic de panne Information voyageurs…

Réseaux embarqués

33

Les réseaux de terrains embarqués dans les transports guidés, Martine Wahl, 01/02/2004, Editeur: INRETS, EAN: 9782857825913

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Train Control Monitoring System

WLTB =  WireLess Train BackboneWLCN = WireLess Consist Network

Il y a entre 25 et 30 km de câbles à l’intérieur d’un train!Source: Projet Roll2rail

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Les communicationspar radio

Typologie des systèmes

Systèmes à ressources partagéesRéseaux cellulaires, satellites, réseaux de radiodiffusion

Systèmes dédiésWLAN (IEEE 802.11 a/b/g/n/p), modems radio spécifiques, ULB, mmW, etc.

35

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

SatellitesGEO (36000 km)MEO(3000 km)LEO (2000 km)

Les Systèmespartagés

CellulaireGSM, GSM-R, EDGE

UMTS, LTE

1-30 km 100 km

DiffusionRDS, DAB, DVBT

36

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

réseaux UIC analogiques 450 MHz réseaux 2 RP, 3 RP, 3 RD pour de la

phonie et les données – TETRA –TETRAPOLE (400 MHz)

GSM - GSM-R (900 – 1800 MHZ) UMTS , EDGE, HSPSD, LTE… 5G

Réseaux cellulaires

37

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

GSM-RRéseau sol identique au GSM• Fréquences spécifiques• Optimisation du réseau spécifique pour la

Grande vitesse• Niveau de signal plus élevé pour la couverture

radio• (-90 dBm 95% du temps et de l’espace pour les

lignes ERTMS)

Band Uplink ARFCN value range

Downlink

P-GSM Fl(n) = 890 + 0.2 * n 1 n 124 Fu(n) = Fl(n) + 45 E-GSM Fl(n) = 890 + 0.2 * n

Fl(n) = 890 + 0.2 * (n –1024)0 n 124 975 n 1023

Fu(n) = Fl(n) + 45

R-GSM Fl(n) = 890 + 0.2 * (n –1024) 955 n 973 Fu(n) = Fl(n) + 45 Table 18: Channel arrangement 38

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Communications régulateur - conducteurs Communications point à point ou appel de groupe

Niveau de priorité des appels - Préemption des canaux Contrôle Automatique du Train Contrôle des trains à distance Appel d’urgence ferroviaire

Communications pour les manoeuvres Communications avec les agents de

maintenance de la voie Communications internes au train

Communications locales dans les gares et les dépôts Communications longue distance

Services aux passagers Communications conducteur - conducteur

GSM-RApplications identifiées pour la radio EIRENE

39

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Les PMR suivent l’évolution des standards grand public

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Difficultés de déploiement liées aux environnements de propagation radio

spécifiques

41

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Sondage de canal multi antennes tunnel métro de Barcelone

42

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.frITST2010 copyright IEICE

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Caractérisation  d’environnements EM ferroviaire

Caractérisation des perturbations EM agissant sur Les transmissions GSM‐R

catenaire

Modélisation du bruit impulsif à partir des mesures: loi alpha stable à queue longue

Projet RailcomSource: Virginie Deniau

j t tt e

Source: Thèse K. Hassan44

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Modèles à rayons

45Source: Ke Guan – BJTU ‐ IEEE

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Modélisation rigoureuse ‐ Antennes Modélisation EM de la propagation à l’intérieur des tunnels pour savoir quel mode de propagation exciter afin de concevoir des antennes optimisées

Source: projet METAPHORTD. Seetharamdoo

46

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr 47

Variable Message Sign

Hot-Spot(Wireless LAN)

Terrestrial BroadcastRDS, DAB

UMTS WiMAX

Beacon•CALM-M5•CEN-DSRC•CALM-IR

GPS, Galileo

Info-Broadcaster

BroadcastTransmitter

Vehicle-to-Vehicle (M5, IR, MM)

GSM-GPRS

Sat-Comm

Evolution vers des architectures multi technologies

CALM architectureFor road

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

ICOM architecture

Source: INTEGRAIL 48

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Evolution vers la Radio Intelligente

Radio Intelligente:« C’est une radio ou un système capable de percevoir et de comprendre son environnement électromagnétique opérationnel et d’ajuster dynamiquement et de façon autonome ses paramètres radio pour modifier le fonctionnement global du système tels que les débits, la résilience aux interférences, l’interopérabilité avec d’autres systèmes, l’accès au marché secondaire ».

49

• Introduit par Mitola en 1999

• Idée générale : adaptation des nœuds de communication à leur environnement EM

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Demain: le train autonome et connecté

Conduite totalement automatisée sans conducteur• Communications train-sol, communications à l’intérieur du

train, entre trains, communication directe avec l’infrastructure (passages à niveaux)

• Détection d’obstacles à l’avant du train• Couplage virtuel• Commande et conduite du train à distance• Arrêts à la demande• Surveillance embarquée, surveillance de l’infrastructure

(vidéo temps réel)• Internet des objets• Localisation sûre et précise• Internet pour les passagers• …

50 Technologie 5G

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

www.ifsttar.fr

Merci de votre attention

Questions?

Marion BerbineauDirectrice de recherchewww.ifsttar.fr

51