Fluidité, capacité, sécurité

La genèse du projet de signalisation ferroviaire européenne remonte aux années 1980. A cette époque, l’Europe considérait que les frontières ferroviaires relevaient de cloisonnements administratifs, avant de mesure l’ampleur des différences techniques entre les Etats, d’où la nécessité d’engager un processus d’harmonisation. On rappelle couramment pour présenter l’ERTMS que les TGV Thalys réussissent au quotidien l’exploit de circuler sous 7 systèmes de signalisation et qu’il en existe plus de 20 en Europe.

ERTMS-2

Les premiers pas remontent à 1989, avec une coopération associant la DB, les FS, la SNCF et les équipementiers de signalisation ferroviaire : Alstom, Siemens, Alcatel, CSEE. En 1993, le projet est porté par l’Union Européenne, au travers d’un groupement d’entreprises emmené par Ansaldo STS et associant Alstom, Bombardier, Siemens, Thales et Invensys. Trois ans plus tard, ce groupe jetait les bases du projet ERTMS : European Rail Traffic Management System.

L’objectif de l’ERTMS est d’abord de fluidifier les échanges ferroviaires internationaux en améliorant les passages aux frontières des systèmes de signalisation de chacun des pays. Il s’agit symboliquement d’éliminer – au moins en partie – les changements de locomotives aux points frontières, liés non seulement aux systèmes de signalisation, mais aussi aux tensions d’alimentation, domaine pour lequel l’hétérogénéité est durable.

Il est aussi économique en abaissant les coûts d’investissement dans le domaine de la signalisation par une harmonisation des systèmes à l’échelle européenne, et en optimisant le coût de possession, y compris la maintenance et le renouvellement.

Il est aussi capacitaire, au-delà de l’élimination des frontières techniques, par la mise en place d’outils améliorant le débit sur les infrastructures, en garantissant un niveau de sécurité accru par rapport aux systèmes installés. Dans une certaine mesure, le déploiement de l’ERTMS peut être une alternative à la réalisation de travaux d’infrastructures pour augmenter la capacité du réseau.

L’ERTMS repose sur deux éléments spécifiques : un système européen de contrôle des trains (European Train Control System, ETCS) et la transmission par GSM-R fondé sur la technologie GSM, adaptée aux besoins du transport ferroviaire.

La définition du standard ERTMS est censée pouvoir d’adapter au plus près des fonctionnalités des systèmes nationaux préexistants afin de faciliter la période de migration de la signalisation d’un système à l’autre.

L’Union Européenne a défini un réseau cible à horizon 2020 de 40 000 km de lignes équipées ERTMS dont 25 000 prioritaires sur les grands corridors fret.

Trois niveaux d’intégration

L’essor de la grande vitesse, en France et en Allemagne, a marqué un premier pas déterminant : la circulation de trains à plus de 200 km/h, et a fortiori à plus de 250 km/h, avait contraint à passer de la signalisation latérale à la signalisation en cabine, pour des questions de sécurité liées à la perception de la rétine de l’œil et au délai de réaction humain. En une seconde, un TGV lancé à 300 km/h parcourt un kilomètre en 12 secondes, soit 83,3 m par seconde. La transmission d’une information fondée sur la vitesse maximale  à l’instant « t » a constitué un progrès décisif en ce sens que le message transmis par la signalisation était compréhensible par tous. Restait à homogénéiser la façon de la transmettre du sol à la cabine de conduite du train.

Les premiers systèmes ATP (Automatic Train Protection) reposaient donc sur la transmission ponctuelle, via les balises au sol à l’entrée de chaque canton, d’une information de vitesse cible annoncée au conducteur en cabine, et du contrôle de la conformité de la courbe de vitesse réelle à une courbe de référence fonction de la distance-but, de la vitesse à l’instant t et des caractéristiques dynamiques du train. En cas de non-respect de la consigne, le système devait être en mesure d’arrêter le train.

ERTMS

Le niveau 1 est donc équivalent aux systèmes nationaux, par exemple un BAL avec KVB français, moyennant le fait qu’en cas de changement d’information dans le canton, le train pourra reprendre sa marche sans avoir à attendre d’être sorti de celui-ci (fonctionnalité existant en France avec le KVB-P employé sur certaines lignes d’Ile de France). Toujours par analogie au cas français, la TVM est associée au niveau 1 par le caractère ponctuel de la transmission d’informations.

ERTMS-3

Définition type de l'affichage ETCS sur le poste de conduite.

Le niveau 2 apporte la notion de continuité des échanges d’information entre le sol et le bord tout en conservant le principe de cantons fixes. La suppression de la signalisation latérale est possible dès lors que tout le matériel roulant est équipé. La mixité de ce point de vue implique le maintien de la signalisation latérale et sa possibilité d’effacement (extinction du signal et allumage de la croix de Saint-André, comme par exemple sur le SACEM du RER A déployé par la RATP) à l’approche de trains équipés ETCS. Evidemment, la mixité d’équipement diminuera le gain de capacité procuré par ce niveau.

Quant au niveau 3, il reste encore à l’état de développement. Il s’apparente dans ses principes aux fonctionnalités d’un métro automatique en s’affranchissant totalement du principe du canton : c’est la transmission permanente de la localisation des trains et de leur marche qui calcule la distance maximale pouvant les séparer. Ses applications sont aujourd’hui incertaines, d’autant que les besoins se concentrent principalement autour des grandes métropoles qui choisissent d’appliquer au domaine ferroviaire l’outil CBTC développé pour les métros automatiques. C’est le cas au Royaume Uni pour Crossrail et en France avec EOLE (et l’outil NExTEO) qui en seront équipés sur les sections centrales dédiées à leur seul usage.

ERTMS-4

Equilibre économique et limites

L’ERTMS, à partir du niveau 2, permet donc d’augmenter la capacité en ligne, ce qui permet de compenser en partie le coût d’investissement pour le gestionnaire d’infrastructure par des recettes de circulation supplémentaires. Il permet aussi de retarder l’échéance du besoin de nouvelles infrastructures.

Le coût de déploiement sur le réseau européen prioritaire est élevé, évalué entre 5 et 6 MM€. Cependant, une partie des équipements nationaux parvient en limite d’obsolescence : l’enjeu porte donc sur :

  • le différentiel entre le coût de renouvellement à l’identique de la signalisation et le coût d’une solution ERTMS ;
  • sur les investissements éludés pour répondre à des demandes de sillons non satisfaites par le système existant en cas d’augmentation de capacité, notamment pour une application ERTMS N2 ;
  • sur l'économie générée par la centralisation de la commande du trafic, l'abandon des kilomètres de câbles en cuivre au profit de la fibre optique (dont une partie de la capacité peut être louée aux opérateurs téléphoniques), et, à partir du niveau 2, la possibilité de supprimer la signalisation latérale, ce qui rend ce niveau 2 certes plus onéreux en investissement mais générant de plus importantes économies sur le coût de possession de l'infrastructure.

Cependant, l’impact pour les opérateurs est loin d’être négligeable du fait de la nécessité d’équiper le matériel existant, ce qui pose la question de l’installation de l’ERTMS sur des engins moteurs ayant passé le cap de la mi-vie (environ 20 ans) et de la compatibilité des technologies. Le coût de modification des circuits de commande et de signalisation constitue aujourd’hui un point de crispation important dans le déploiement du système. En Suisse et au Royaume Uni, les Etats ont décidé de prendre en charge une partie du coût de la « première migration ». Il est évalué à 100 000 € par engin moteur dans le cas d’un matériel neuf, et entre 200 000 et 300 000 € dans le cas de l’équipement d’un matériel existant. En comparaison, le coût au sol varie entre 30 000 et 300 000 € selon la densité de trafic visé sur la ligne et selon l’imputation des coûts de renouvellement d’une ligne existante.

Aussi, certains Etats considèrent que l’ERTMS N1 en supervision limitée, c’est-à-dire le niveau minimal d’interopérabilité, constitue une solution temporaire qui pourrait durer : l’ERTMS n’est alors utilisé que dans un rôle de contrôle de vitesse. Mais l'optimisation économique est loin d'être au rendez-vous.

Au chapitre des limites, il faut d’abord évoquer, la « customisation » de l’ERTMS dans chaque pays constitue in fine une reproduction, certes d’ampleur plus limité, des frontières existant avec les actuels systèmes de signalisation. Sans renoncer à l’interopérabilité, son niveau réel tend à diminuer avec les spécificités nationales de chaque ERTMS.

On ajoutera aussi que les industriels ont développé des solutions répondant certes aux normes ERTMS mais avec des composants non interchangeables et donc sans partage des frais de développement, ce qui crée non seulement une dépendance vis-à-vis d’un fournisseur, ce qui est déjà le cas avec la plupart des systèmes nationaux existants, mais contribue aussi à renchérir le coût de la solution ERTMS.

La mise en oeuvre de l'ERTMS recèle parfois quelques - mauvaises - surprises. Ainsi en Suisse, les locomotives Traxx de Bombardier se voient temporairement interdites sur l'axe du Gothard (ligne historique et tunnel de base) en raison d'une incompatibilité dans la version du logiciel provoquant des bugs aléatoires se soldant par des freinages d'urgence. Détectant ce problème, les CFF ont mandaté Siemens pour traiter ce dysfonctionnement de l'interface sol-bord pour traiter 233 locomotives, mais les relations entre les deux "majors" de la construction ferroviaire ne sont pas des plus simples. Bilan, les Vectron (de Siemens) et les vénérables Re 4/4 et Re 6/6 ont été "migrées"... mais pas les Traxx.

Autre faiblesse commençant à émerger, le GSM-R : à la pointe de la technologie aux débuts de l'ERTMS en 1993, il est en voie d'obsolescence face à la 4G et à la future 5G qui se profile pour 2020. D'où la question, remontant jusqu'à la Commission Européenne, de migrer l'outil de liaison sol-bord vers la 5G, amplifiant l'analyse critique des opérateurs sur ERTMS, qui procure des économies côté infrastructure, mais des surcoûts côté matériel roulant.

Ces deux derniers sujets ont une nouvelle fois été évoqués à Innotrans 2016 avec le risque sur l'extension du système de l'instabilité de la Baseline - d'où le lancement de la mise au point d'une version 3 - et la nécessité de plancher à court terme sur la migration du GSM-R vers le GPRS.

ERTMS niveau 3... ou CBTC ?

Il n’existe à ce jour qu’une seule application « expérimentale » 3, en Suède, sur une ligne régionale entre Borlänge et Malung. Sur cette ligne, l’installation de ce système de signalisation a permis de réduire les coûts d’exploitation et d’offrir plus de souplesse quant à l’évolution de l’offre en s’affranchissant du principe de block à cantons fixes. Reste que la majorité des besoins de haut débit ferroviaire concerne essentiellement les grands bassins urbains, pour lesquels des solutions utilisant la technique CBTC (EOLE à Paris, Crossrail à Londres) sont déjà engagées.

Il n’en reste pas moins que l’application régionale pour développer un modèle d’exploitation économique des lignes à trafic modeste peut avoir devant elle un terrain d’application assez conséquent, mais doit aujourd’hui passer à un stade plus industriel.

En attendant, les réflexions sur l'intégration d'un module ATO (Automatic Train Operation, c'est à dire le pilotage automatique supervisé par l'agent de conduite), pour optimiser l'exploitation et retarder les investissements lourds tout en augmentant la capacité des ligne, aboutissent à des projets. On citera la dynamique que souhaitent impulser le réseau tchèque, mais aussi le choix d'un couplage ERTMS N2  + ATO au Mexique sur la ligne nouvelle périurbaine Mexico - Toluca . Leur stratégie souhaite promouvoir une utilisation non figée de l'ERTMS, et de pouvoir y ajouter des options en fonction des besoins, sans pour autant renier l'objectif d'interopérabilité avec les réseaux voisins. Dans le cas mexicain (qui prouve au passage que l'ERTMS ne se limite pas aux frontières européennes), l'objectif est d'écouler 24 trains / heure / sens à une vitesse maximale de 160 km/h.

Quelles applications en France ?

En France, le déploiement de l’ERTMS a débuté avec la ligne nouvelle Perpignan – Figueras, équipée du niveau 1, puis la LGV Est équipée du niveau 2 depuis décembre 2014, en superposition avec la TVM430. La LGV Rhin-Rhône est également équipée, de naissance. Il se poursuit sur le réseau à grande vitesse avec BPL et SEA où il doit cohabiter avec la TVM300 tant que circulent les TGV Atlantique. On notera également que le contournement du Mans ne sera équipé que du niveau 1. Ce sera également le cas du contournement de Nîmes et Montpellier.

ERTMS-france

Il a d'abord été décidé d'équiper les corridors fret européens en ERTMS N1 :

  • Anvers – Bâle entre le Luxembourg et la Suisse via Thionville – Metz – Strasbourg – Mulhouse ;
  • Anvers – Lyon entre Metz, Dijon et Lyon ;
  • Valence – Budapest entre Perpignan et Modane, via l’arc languedocien, la vallée du Rhône, Lyon et Chambéry.

Ces trois itinéraires entraîneront l’équipement ERTMS de plusieurs sections de lignes à trafic soutenu notamment en Lorraine, en plaine d’Alsace, sur l’arc languedocien et la vallée du Rhône.

Une étude est également lancée sur l’axe Marseille – Vintimille, visant d'emblée un déploiement du niveau 2, qui serait une première sur le réseau classique français. A l'origine, une "conjonction astrale" entre les besoins de renouvellement du block automatique et des postes d'aiguillage : combiné à une nouvelle technologie de postes informatisés reliés par fibre optique et non plus par un réseau filaire en cuivre, la signalisation latérale pourrait disparaitre à condition de spécialiser un parc équipé ERTMS (ou de prévoir les conditions de la transition avec des matériels non équipés). A la clé, des gains de capacité en ligne et dans les gares, une meilleure connaissance du trafic en temps réel avec un effet sur la régularité... et une diminution du coût de possession, certes au prix d'un investissement initial plus important, compensé par de notables économies d'exploitation. Une démarche similaire devrait être engagée sur les axes Paris – Le Havre et Le Mans – Nantes.

Le même schéma de réflexion pourrait être examiné sur d’autres axes pour des besoins nationaux capacitaires, par exemple entre Lyon et Modane via Ambérieu et Culoz, pour examiner l’impact de l’ERTMS sur la cohabitation Fret – TER – Grandes Lignes entre Aix les Bains et Saint Pierre d’Albigny, structurante pour l’évolution du fret ferroviaire en Maurienne, sans attendre le Lyon – Turin toujours objet de vifs débats.

Bien évidemment, les LGV pourraient utiliser ERTMS N2 pour augmenter leur capacité à la faveur du renouvellement de la TVM, à commencer par la LN1 sur laquelle la TVM300 pourrait constituer à terme un obstacle capacitaire. ERTMS N2 couplé à une fonction de pilotage automatique pourrait reporter à long terme la saturation réelle de la LN1, et par conséquent le besoin de POCL. Contrepartie, pour maximiser la capacité offerte, qui pourrait atteindre 18 sillons / heure contre 13 actuellement, il faudrait homogénéiser le parc de matériel TGV avec des rames de puissance maximale (équivalente aux EuroDuplex) de sorte à ne pas construire le schéma capacitaire sur les matériels les moins performants. Un scénario potentiellement compatible avec le projet "TGV du futur", qui, outre le fait d'être plus performant, pourrait être intrinsèquement plus capacitaire et donc retarder à un horizon encore plus lointain le besoin d'une "nouvelle ligne nouvelle".

Cependant, l'ERTMS, ce n'est pas seulement pour les grands axes : l'ERTMS régional reste plutôt théorique mais SNCF Réseau cherche à engager une transition "en douceur" liée à l'obsolescence et à l'insuffisance capacitaire des lignes régionales. Une première application de "block automatique migrable" est à l'étude sur l'axe Toulouse - Rodez et d'autres lignes devraient suivre dans les années à venir, en s'appuyant sur la nouvelle génération de postes d'aiguillages informatisés capables de centraliser la commande de plusieurs lignes.

Mais la France patine parfois : alors que le Luxembourg a complètement migré son – petit – réseau en ERTMS N1, la France tarde à préparer la compatibilité des matériels circulant par exemple sur les liaisons régionales entre Nancy et Luxembourg, au point de risquer de se voir fermer l’accès au réseau CFL puisque le délai de transition de 10 ans aura été dépassé. Attention à ce que les "idées d'avance" de l'opérateur ferroviaire "de référence mondiale" ne le mettent pas en retard par rapport au cortège européen...