ERTMS, applications sécuritaires et applications satellitaires, quelles avancées de la recherche?

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1 Institut français des sciences et technologies des transports, de l aménagement et des réseaux ERTMS, applications sécuritaires et applications satellitaires, quelles avancées de la recherche? Juliette MARAIS Juliette.marais@ifsttar.fr Avec le support de Marion Berbineau et Julie Beugin, Ifsttar, Christophe Chéron, MEDDE 1

2 Localiser : quoi et comment? Que localiser? Une marchandise Un wagon Une locomotive Un travailleur sur voie Comment? Des équipements sur l infrastructure Des capteurs de roue La voix parfois 2

3 Des applications déjà mises en œuvre Tous les TGV, trains de fret et une partie des trains régionaux sont équipés de récepteurs GPS Maintenance Information voyageur Métiers de la topographie 26 trains désherbeurs Des trains de contrôle des voies Alerte en cas de vol (DB Cargo) Scanner laser dynamique (SNCF infra) Des applications NON sécuritaires 3

4 Des applications multiples Source : GSA 4

5 Aujourd hui un début de consensus 5

6 Mais un sujet qui murit depuis longtemps Projet DEUFRAKO-P SNCF/INRETS 1998 Groupe d experts UIC Galileo pour le rail ( ) 6

7 Plus récemment WG de l UNISIG IP2 Shift²Rail * liste non exhaustive GNSS rail user forum (2012) PROJETS Début Fin Financement Commentaires GRAIL ème PCRD Odométrie améliorée pour les lignes à grande vitesse GALOROI ème PCRD Unité de localisation GNSS-Capteur à courant de Foucault, sûr, à certifier SATLOC ème PCRD Démonstration opérationnelle sur ligne à faible trafic 3inSat En cours ESA, ARTES 20 IAP Développement et validation d un système de localisation SIL4 et d un réseau de surveillance de l intégrité basé sur l utilisation d EGNOS EATS ème PCRD Concept du Smart Train Positioning System (STPS). Combinaison de techniques et de sources pour ETCS 3 faible coût IRISS En cours NGTC 2013 SafeRail En cours 2016 ESA - Feasibility Study of the Integrated Applications Program (IAP) 2016 «Intelligent Railways via Integrated Satellite Services» Localisation et communication par satellite intégrées Applications : information client, maintenance et back-office utilities 7ème PCRD Mutualiser les développements entre ERTMS/ETCS pour les réseaux interopérables (au sens européen) et le CBTC pour les réseaux urbains (WP7 Satellite positioning) ESA ARTES 20 IAP Protection des passages à niveau 7

8 Des points communs La cible : les lignes à faible trafic Les objectifs : Réduire les coûts liés à l équipement et la maintenance des voies (en particulier pour les lignes à faible trafic) sauver ces lignes Augmenter la capacité du réseau. Des exigences : S inscrire dans ERTMS/ETCS Assurer un niveau de sécurité au moins aussi bon que le niveau actuel (enjeu GAME) 8

9 Des choix technologiques différents APOLO, GADEROS LOCOPROL systèmes multi-capteurs un algorithme basé sur des paires de satellites GPS synchrones pour garantir l intégrité + un odomètre EATS combinaison de différentes techniques (multi-antennes pour la réduction des multitrajets, combinaison de sources hétérogènes : GNSS, UMTS et GSM-R). 3inSat récepteur multiconstellations, multifréquences, et réseau de surveillance de l intégrité GALOROI un système multi-capteur GNSS + capteur à courant de Foucault Des questions/débats : des capteurs sur étagère ou un récepteur spécifique pour le rail? 9

10 Le GNSS dans ERTMS The ERTMS Memorandum of Understanding between the European Commission, the European Railway Agency and the European Rail Sector Associations, signed in April 2012 and concerning the strengthening of cooperation for the management of ERTMS mentions that... the GNSS can play a major role in the rail sector... 10

11 Le GNSS dans ERTMS David Chabanon, Rail Conference 2013 sur Niveau 3 : similaire au niveau 2 de ERTMS sauf que la fonction de détection du train ne repose pas sur des circuits de voie mais sur une position calculée par l équipement embarqué. Toujours en développement (version alternative : ERTMS Régional pour les lignes à faible trafic). 11

12 Le GNSS dans ERTMS La compatibilité avec ETCS est un objectif affiché dans la plupart des projets Niveau 2 : Grail, Niveau 3 : EATS, Gaderos, Locoprol, 3inSat Objectif : réduire les coûts d installation et de maintenance d ERTMS, en particulier sur les lignes à faible trafic, faciliter le déploiement Conséquences : Pas de révolution sur les règles de signalisation et l architecture du système Une évolution de la fonction localisation Une migration «en douceur» 12

13 Le niveau de sécurité This satellite supported solution is not yet available on the market because of the very challenging safety requirements (Safety Integrity Level 4 SIL4 requirement) that a railway signalling system shall comply with. 3inSat Le niveau de sécurité est défini dans la Spécification Technique d'interopérabilité CCS. Le THR (Tolerable Hazard Rate) alloué à la défaillance de l'etcs bord ou sol est de 1.0*10-9 failure/hour. Dans les normes de sécurité ferroviaires, cela correspond à un SIL4. Cet objectif n'est pas attribué au GNSS seul mais au sous système! Exemple : Dans GRAIL 2, la fonction odométrie est SIL4, mais le GNSS SIL2. 13

14 Comment fournir une localisation sûre? Des choix techniques différents explorés dans les projets et dans les publications LOCOPROL La redondance des signaux (utilisation de paires de satellites) Fournit une position assortie d un intervalle de confiance GALOROI La redondance de capteurs et de l architecture et un vote pour vérifier la cohérence entre deux canaux GRAIL 2 3inSat La redondance de capteurs et de l architecture et un vote pour vérifier leurs cohérences La distance parcourue est associée à un intervalle de confiance Un réseau de surveillance de l intégrité basé sur EGNOS 14

15 Comment fournir une localisation sûre? Dans la littérature Des méthodes de détection et exclusion de sources défaillantes Marais&al (2005) Utilisation de l image pour la détection de l état de réception des satellites GNSS Liu&al (2011) Une architecture à 3 niveaux élimine les erreurs lors des étapes de collecte des données capteurs, de la fusion et du map-matching Legrand&al (2014) Analyse de la propagation des erreurs dans un système multi-capteurs basée sur une analyse causale Article Zheng&Cross (2012) UK Fusion de BDD cartographique de la voie + odomètre + INS + EGNOS Article Lui&al (2011) Beijing Jiaotong Univ. Garantir l intégrité de la position d un système multicapteurs & map-matching pour le CTCS (Chinese Train Control System) 15

16 Comment évaluer les performances? La simulation Assure la répétabilité, la maitrise des conditions de tests, la variation de la constellation, à moindres coûts Couplage simulateur ERTMS/GNSS (Ifsttar), Simulateur ATLAS de CEIT Un objectif de Shift²Rail zero testing approach La démonstration sur site Presque tous les projets l ont mise en œuvre SATLOC en Roumanie 3inSat en Sardaigne et Italie RSSB T510 et 581 (RSSB 2009) au Royaume Uni Combiner les deux Méthode hybride PREDISSAT (Marais&al 2000) SATLOC : des images de l environnement ferroviaire pour la connaissance du masquage, simulé dans un simulateur de signaux (Marais&al, 2014) 16

17 Comment évaluer les performances? Dans le routier : QUALISAR propose un système de référence pour la qualification de performances de récepteurs L action COST SaPPART propose un cadre pour préparer la certification des applications ITS fondées sur GNSS (définitions et méthodes d évaluation des performances) Pour le ferroviaire : Faut-il/peut-on partager des méthodologies d évaluation des performances? Des bases de données? 17

18 Comment démontrer la sécurité? 1. Selon quels critères? Les critères de sûreté de fonctionnement ferroviaire (FDMS) ne sont pas équivalents aux définitions des performances GNSS Précision Disponibilité Intégrité Continuité Fiabilité Disponibilité Maintenance Sécurité Des liens établis dans : Filip&al (2008), Beugin&al (2012) 18

19 Comment démontrer la sécurité? 2. Avec quelles méthodes? GRAIL 2 SATLOC * Safety plan, safety assessment process * Evaluation indépendante du SIL2 atteint par le sous-système odométrique GNSS UT effectuée par Veritas (ISA) sur la base de documents fournis par Thales (GRAIL2 2013). L approche s inspire des principes de l aéronautique (RTCA 229) étendus à un système GNSS/EGNOS/IMU. Démonstration opérationnelle que le niveau de sécurité du système SATLOC est meilleur que l existant (Roumanie) GALOROI GaLoROI a défini des méthodes pour l analyse de la sécurité en vue d une certification Manz&al 2013 Et des méthodes d analyses FDMS Des méthodes de SdF qui ne sont pas adaptées aux systèmes sans fil ou aux systèmes multi-capteurs : à développer Utilisation de réseaux de Pétri Beugin&al (2008), Nguyen&al (2014, 2015) 19

20 Thèses en cours en France et à Londres Philippe Brocard, ENAC/EGIS/GSA Contrôle d intégrité pour utilisateur mobile en zone urbaine Cyril Legrand, Railenium/Ifsttar Méthodes et modèles pour l analyse de sûreté de fonctionnement de systèmes de localisation embarqués basés sur les GNSS Sophie Damy, Imperial College London A Novel GNSS-based Positioning System to Support Railway Operations 20

21 Les challenges à poursuivre Gestion de la continuité de localisation (cas des tunnels) Envisager des systèmes multi-capteurs ou des systèmes complémentaires (indoor) Prendre en compte les multi-trajets Pour améliorer les performances et pour les prendre en compte dans le calcul d intégrité Projets CAPLOC complémentarité image/gnss, Marais&al (2013) ou projets routiers (INTURB avec cartes 3D embarquées) Renouveler les méthodes de sûreté de fonctionnement Prévenir la vulnérabilité du GNSS Design d une antenne à base de métamatériaux pour la résistance aux interférences,vegni&al (2013) 21

22 Des points à discuter Peut-on considérer qu il y a consensus sur les besoins? Faut-il des récepteurs spécifiquement ferroviaires? A-t-on besoin de standards? (à l image de ce qui a été fait pour l aviation) Quel processus de certification? Quelles contraintes opérationnelles peuvent-elles être acceptées? 22

23 Conclusions Un foisonnement de projets visant les applications sécuritaires mais pas encore de solution opérationnelle Le rail est aujourd hui reconnu comme un secteur d applications GNSS! Des résultats nombreux issus de projets et de recherches à poursuivre 23

24 Références Liu, J., Tang, T., Gai, B., Wang, J., & Chen, D. (2011). Integrity assurance of GNSS-based train integrated positioning system. Science China Technological Sciences, 54(7), LEGRAND, C., Beugin, J., CONRARD, B., MARAIS, J., & Berbineau, M. (2014, January). Causal Analysis Methodology of Multisensor Systems based on GNSS. In Railways 2014, The Second International Conference on Railway Technology: Research, Development and Maintenance. Vegni, C., Tosti, M., & Vegni, A. M. (2013). Innovative Radiating Systems for Train Localization in Interference Conditions. International Journal of Antennas and Propagation, Filip, A., Mocek, H., & Suchanek, J. (2008, May). Significance of the Galileo Signal-in-Space Integrity and Continuity for Railway Signalling and Train Control. In 8 th World Congress on Railway Research (WCRR), Seoul, Korea. Beugin, J., & Marais, J. (2012). Simulation-based evaluation of dependability and safety properties of satellite technologies for railway localization. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 22, Nguyen, T. K., Beugin, J., & Marais, J. (2015). Method for evaluating an extended Fault Tree to analyse the dependability of complex systems: Application to a satellite-based railway system. Reliability Engineering & System Safety, 133, RSSB report (2009) Obtaining data to assess the dependability of GNSS information and accuracy of odometry. Introduction, lessons learnt, conclusions and recommendations Marais, J., Meurie, C., Attia, D., Ruichek, Y., & Flancquart, A. (2013). Toward accurate localization in guided transport: combining GNSS data and imaging information. Transportation Research Part C: Emerging Technologies. Marais, J., Berbineau, M., & Heddebaut, M. (2005). Land mobile GNSS availability and multipath evaluation tool. Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 54(5), MARAIS, J., Meurie, C., Flancquart, A., LITHGOW, S., & BARBU, G. (2014, January). Innovative simulations of GNSS performances in a realistic railway environment. In CERGAL, International Symposium on Certification of GNSS Systems & Services. Beugin, J., Marais, J., Lozac h, J-P. (2008). A Dependability Analysis for Integrating a Satellite Positioning System in a Rail Freight Application, European Navigation Conference Marais, J., Meunier, B., & Berbineau, M. (2000). Evaluation of GPS availability for train positioning along a railway line. In Vehicular Technology Conference, IEEE-VTS Fall VTC nd (Vol. 5, pp ). IEEE. GRAIL 2 deliverable, WP4, D4.4, Safety Approval Process, disponible sur GRAIL 2 deliverable, WP4, Evaluation of THALES GNSS UT odometric system based on satellite system, disponible sur GRAIL 2 deliverable, WP4, Approach to GNSS UT Integrity Analysis, non public? Manz, H., Schnieder, E., Becker, U., Seedorff, C., & Baudis, A. (2013). Certifiable satellite based safe on-board train localisation unit. In AusRAIL PLUS 2013, Driving the Costs out of Rail, November 2013, Canberra, ACT, Australia. 24

25 Et hors Europe? 25