Au commencement : un enjeu d’interopérabilité

La genèse du projet de signalisation ferroviaire européenne remonte aux années 1980. A cette époque, l’Europe considère que les frontières ferroviaires relèvent de cloisonnements administratifs, avant de mesurer l’ampleur des différences techniques entre les réseaux nationaux, d’où la nécessité d’engager un processus d’harmonisation.

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On rappelle couramment que les TGV Thalys réussissent au quotidien l’exploit de circuler sous 7 systèmes de signalisation (et 4 tensions d’alimentation) et qu’il en existe plus de 20 en Europe.

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Hogebrug - 18 juin 2017 - Il se joue des frontière en additionnant 7 systèmes de signalisation pour circuler en France, en Belgique, en Allemagne et aux Pays-Bas. Seule continuité, la LGV1 en Belgique est équipée en TVM430 comme la LN3 française. © P. Boere

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 jette les bases du projet ERTMS : European Rail Traffic Management System.

L’objectif est d’abord de fluidifier les échanges ferroviaires internationaux en améliorant les passages aux frontières, afin de contourner l’obstacle des systèmes de signalisation propres à chaque réseau. Il est aussi d’améliorer la capacité des réseaux pour concourir aux objectifs d’accroissement de la part modale du rail, tant pour le transport de marchandises que de voyageurs. Il est enfin 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.

Les acquis des projets nationaux

La démarche ERTMS est apparue alors que le développement des lignes à grande vitesse en France et en Allemagne imposait de s’affranchir de la signalisation latérale, n’assurant pas un niveau de sécurité suffisant à des vitesses supérieures à 220 km/h. Aussi, de nouveaux systèmes de signalisation plus performants ont été développés.

En Allemagne, le LZB (Linienzugbeeinflussnung) est apparu dès 1974 sur le réseau classique pour équiper les lignes autorisées à plus de 160 km/h, puis sur les lignes nouvelles aptes à au moins 250 km/h. Il équipe aussi la première ligne à grande vitesse espagnole Madrid – Séville.

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Equipements PZB-LZB sur locomotive allemande avec notamment l'affichage de la vitesse-but et de la distance-but à respecter, permettant au conducteur d'ajuster sa vitesse et l'amorce de son freinage.

En France, la TVM300 (Transmission Voie Machine) puis la TVM430 reposent sur un mixage entre de la transmission continue et de la transmission ponctuelle :

  • transmission ponctuelle par boucles inductives d'informations précises : entrée et sortie de LGV, CAB signal, sections de séparation...
  • transmission continue par circuits de voie d’une information de vitesse cible annoncée au conducteur en cabine, et du contrôle de la conformité des décélérations par rapport 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. Outre les LGV françaises, la TVM430 équipe le tunnel sous la Manche et la ligne à grande vitesse qui le relie à Londres mais aussi la LGV1 belge, entre la France et Hal, au sud de Bruxelles.

La TVM s'approche donc du niveau 2 ERTMS.

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Courbe de freinage en TVM430 française avec information en cabine des différentes séquences jusqu'à l'arrêt complet.

Trois niveaux d’intégration

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 fondée sur la technologie GSM, adaptée aux besoins du transport ferroviaire. Il comprend 3 niveaux.

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

Le niveau 1 est donc à peu près 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.

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, comme sur le LZB allemand par exemple. La suppression de la signalisation latérale, au profit d’une information en cabine, devient possible dès lors que tout le matériel roulant est équipé ERTMS. La mixité d’équipement implique le maintien de la signalisation latérale, qui peut être effacée « ponctuellement » à l’approche des trains équipés, et maintenue pour les trains non équipés. On retrouve ces modalités par exemple à la RATP avec le SACEM utilisé sur le RER A. En cas de défaillance à bord d’une rame, la signalisation latérale est maintenue, tandis qu’à l’approche de trains équipés, les signaux s’éteignent et une croix de Saint André s’allume. Evidemment, la mixité d’équipement diminue le gain de capacité procuré par ce niveau.

A partir du niveau 2, l’ERTMS 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. Il n’est cependant pas une recette miracle : ERTMS ne supprime ni les effets de l’hétérogénéité des sillons (omnibus / direct) ni les cisaillements ni les contraintes d’occupation des voies en gare ! Par conséquent, le gain de 20 à 25% annoncé régulièrement est à manier avec prudence et dépend donc de la nature des trafics. Plus les sillons sont homogènes, plus le gain est important… et inversement.

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, pour encore augmenter la capacité de l’infrastructure. 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 à Londres pour Crossrail et en France avec le RER E (et l’outil NExTEO) qui en seront équipés sur les sections centrales dédiées à leur seul usage.

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L’interopérabilité ne se résume pas à la signalisation

L’ERTMS ne peut effacer toutes les frontières techniques entre les réseaux : au-delà de la signalisation, restent tout de même des différences de tensions d’alimentation, certes en partie gérables par des engins moteurs polycourants, et dans certains cas, d’écartement des voies (notamment avec l’Espagne et le Portugal).

L’ERTMS apparait donc comme un élément important, mais non décisif, dans la mise en œuvre des grands corridors européens pour le fret. Pour autant, la traversée de l’Europe par une seule et même machine en tête d’un train reste peu probable compte tenu des autres différences techniques, les critères d’admission sur les réseaux nationaux… ou le souhait des opérateurs d’éviter de voir leurs engins s’éparpiller aux quatre coins du continent.

La notion d’espace ferroviaire unique à l’échelle de l’Europe n’est donc pas pour demain, si tant est qu’elle revête une réalité économique tangible. Le caractère de moins en moins anecdotique de trains de marchandises entre la Chine et l’Europe, solution plus chère mais plus rapide que la voie maritime, conforte la logique de réduction des effets de frontière entre les réseaux, mais c’est d’abord sur les grands courants européens (type Belgique – Italie ou Allemagne – Espagne) que sont attendus les effets de l’ERTMS. Bref sur des sauts d’une ou deux frontières.

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Mommenheim - 2 mars 2017 - ERTMS ou le moyen de se jouer plus facilement des frontières... mais dans une certaine limite : la locomotive allant d'un bout à l'autre de l'Europe relève encore du mythe unificateur pas forcément cohérent avec les statégies d'opérateur et la gestion de leur flotte. Cette T13 belge, dérivée des 36000 française, circule sur le corridor nord-est depuis le port d'Anvers en direction de la vallée du Rhin. © transportrail

D’où par exemple l’idée de « packages régionaux » ERTMS limités à un ensemble de pays donnés, plutôt que de chercher à appliquer un système totalement interopérable, ce qui ne concerne qu’une part infime – sinon nulle – des trafics ferroviaires.

ERTMS et enjeux économiques

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.

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. Dans ce cas, le coût d’équipement ERTMS est à comparer au coût de renouvellement « à l’identique » et des éventuels investissements en voies supplémentaires éludés pour répondre à des demandes de sillons non satisfaites par les systèmes existants.

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Königstein - 30 juillet 2012 - Un passe-frontière de l'Europe centrale : l'EC171 Berlin - Prague est assurée par une rame des CD et tractée par une locomotive tchèque type 371 à partir de Dresde. © N. Hoffmann

Le modèle économique de l’ERTMS est aussi à analyser au travers de 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 avec un effet notable sur la réduction du 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. En Suisse et au Royaume Uni, les Etats ont décidé de prendre en charge une partie du coût de la « première migration ». L’étude de la Cour Européenne des Comptes en 2017 est assez révélatrice :

  • le coût « bord » est évalué entre 300 et 500 000 € par engin moteur dans le cas d’un matériel neuf, et entre 600 000 et 900 000 € dans le cas de l’équipement d’un matériel existant (Allemagne, Pays-Bas).
  • Le coût « sol » varie entre 100 000 et 350 000 € / km selon la densité de trafic visé sur la ligne et selon l’imputation des coûts de renouvellement d’une ligne existante au Danemark et en Suède, le coût complet « dépose du système national + installation ERTMS » a atteint 1,4 M€ / km.

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.

L’Allemagne a d’abord trainé les pieds, ne percevant pas immédiatement l’avantage à investir dans un système pas forcément plus efficace que le tandem LZB-PZB. L’intérêt transfrontalier, en particulier pour le fret, a généré une inflexion de la DB sur la question, tout comme la capacité à générer une diminution des coûts de renouvellement de la signalisation en tirant profit du marché européen. Un plan de déploiement à horizon 2022 portant sur 1450 km du RTE-T en Allemagne a été entériné, avec pour objectif la disparition de 80% de la signalisation latérale en 2030. Ce plan est intervenu après un accord entre l’Etat fédéral et la DB sur les délais d’équipement de l’infrastructure et du matériel roulant mais aussi le financement de ce déploiement, y compris sur le matériel roulant. DB Cargo confirme cette trajectoire avec l’équipement de 1200 locomotives.

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Dillingen - 2 février 2013 - Courte composition mais masse importante pour ce train de fonte liquide entre les sites de Dillingen et de Völklingen avec une BR185 équipée France de la DB. © N. Hoffmann

La quête d’un modèle économique de l’ERTMS semble donc vaine et une conclusion s’impose : ERTMS ne peut être autofinancé par les systèmes ferroviaires nationaux. Dès lors, les Etats et l’Union Européenne devront concourir à l’objectif qu’ils ont collectivement fixé. Reste à en fixer les modalités…

Petits et grands tracas de l’ERTMS

On ajoutera aussi que les industriels ont développé des solutions répondant certes aux normes ERTMS mais avec des composants non systématiquement 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 ont été 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.

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Liestal - 10 avril 2016 - Les petits tracas de l'ERTMS sur l'axe du Gothard avaient quelque peu perturbé l'exploitation du corridor fret, où les Traxx de Bombardier ont été temporairement interdites en attendant de lever les incompatibilités de version. Heureusement, car elles y montent rarement seules comme ici avec une triplette. © E. Fouvreaux

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 (GPRS), amplifiant l'analyse critique des opérateurs sur ERTMS, qui procure des économies côté infrastructure, mais des surcoûts côté matériel roulant.

Au Danemark, le déploiement de la partie embarquée de l’ERTMS accuse 7 ans de retard. Prévu en 2023, il ne sera achevé qu’en 2030, ce qui pose problème sur certaines lignes qui, à échéance plus rapprochée, ne seront plus équipées que du seul ERTMS. C’est en particulier le cas de la ligne nouvelle Copenhague – Ringsted ouvrant en décembre 2018 : il a fallu in extremis l’équiper en signalisation classique puisque moins de 25% du parc Intercity de la DSB est équipé ERTMS. Banedanmark, le gestionnaire d’infrastructures danois, revoit l’ensemble de la programmation de ses travaux de modernisation du réseau pour « aligner les planètes » en fonction de la migration ERTMS du matériel roulant.

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. En Italie, deux lignes sont équipées d'un système d'exploitation régionale satellitaire (via Galileo) développé par Ansaldo et RFI. Plus de balises au sol, mais la nécessité d'assurer une couverture totale du territoire, ce qui n'est pas simple ni sur la ligne de Sardaigne (Cagliari - San Gavino) ni dans le Piémont (Bivio Sangone - Pimerolo).

Si 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. D'après l'université de Milan, une exploitation sous un ERTMS niveau 3 satelittaire diminuerait le coût d'exploitation (au sens régulation du trafic) d'environ 65%.

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) fait son chemin, pour optimiser l'exploitation et retarder les investissements lourds tout en augmentant la capacité des lignes. On citera la dynamique impulsée par la République Tchèque, la Suisse (un test a été réalisé fin 2017 entre Berne et Olten) mais aussi le choix d'un couplage ERTMS N2 + ATO au Mexique sur la ligne nouvelle périurbaine Mexico – Toluca, pour débiter 24 trains / heure / sens à 160 km/h ou à Londres, sur Thameslink avec un premier train ERTMS N2 + ATO en mars 2018 pour une application en 2019 à hauteur de 22 trains / heure / sens.

Suite du dossier : ERTMS en France, quelles applications ?