Le train autonome : où en est-on réellement ?

Innotrans est terminé. La prochaine édition aura lieu en 2020, à Berlin. A cette date, parlera-t-on davantage du train autonome qu’on annonce un peu partout ? Voyons un peu où on en est actuellement.

Les métros automatiques existent depuis longtemps. Il y en a à Londres sur la Jubilee Line et sur le Dockland Railway, tout comme à Paris sur la ligne 14 ou à Lille avec le VAL. Selon l’UITP, 48 systèmes de métro publics entièrement automatisés étaient utilisés dans 32 pays. La grande nouveauté est la voiture autonome. Pourquoi ?

Parce que les exemples de métros automatiques montrent que ce sont en réalité des circuits fermés. « Tous ces systèmes n’ont pas de détection d’obstacles et sont exploité sur une ligne [considérée] libre », explique Burkhard Stadlmann, professeur à l’université des sciences appliquées de Haute-Autriche. Quand les trains ont la même longueur, roulent toute la journée selon des critères répétitifs et s’arrêtent à toutes les gares qui ont la même longueur de quai, alors l’automatisation est relativement « facile ». Or, rien de tout cela n’existe avec le concept de voiture autonome. En effet, la possibilité de conduire de manière autonome dans des environnements hétérogènes sans GPS, identification de modèle (par exemple, suivi de route) ou de repères artificiels est la clé de la robotique de terrain. Pour relever ce défi, il est nécessaire d’utiliser des blocs technologiques sous forme de GPS, de capteurs radar / LiDAR, d’infrarouges et d’ultrasoniques, de caméras, de systèmes inertiels, etc. Un logiciel d’automatisation doit être développé pour les processus de flux de véhicules autonomes.

Nous entrons ici dans un domaine bien plus complexe qu’un simple métro automatique. Autonomie signifie en effet reconnaître instantanément son environnement, qui change à chaque mètre, que l’ordinateur de bord doit traduire pour pouvoir prendre une décision immédiatement. Ce sont donc des milliers de données qu’il faut capter, assembler et décoder en quelques secondes. Le point principal est de reconnaître s’il y a un obstacle devant vous, et quelle décision vous devez prendre. Lorsqu’il y a un véhicule devant vous, soit il roule à la même vitesse que vous, et vous devez simplement le suivre, soit il freine, et vous devez instantanément freinez aussi pour ne pas entrer en collision. Actuellement, le seul signal disponible qui vous montre qu’un véhicule freine devant vous sont les phares rouges arrière, et ce sont vos yeux qui « captent le message ». Avec le véhicule autonome, les phares rouges arrière ne sont d’aucune utilité. Il fallait donc autre chose. Cette « chose », c’est un calcul permanent de distance et de rapprochement entre les véhicules. Il faut donc une réponse en millième de seconde pour que, dès que le véhicule détecté devant vous freine, immédiatement votre véhicule autonome freine aussi. Cela n’est justement pas possible avec des trains ! Pourquoi ?

Parce que les trains ont une distance nettement plus élevée entre eux que dans des flux de véhicules routiers. Aucun LIDAR ou capteurs ne peut mesurer le train qui est bien loin devant vous. Actuellement, les trains roulent à travers des blocs (2km ou davantage), dans lesquels ils sont seuls. Dès qu’un bloc est libre, le train suivant peut y entrer. Chaque bloc est protégé par un signal latéral. Ce système est toujours en vigueur, même avec la signalisation visuelle en cabine de conduite, comme sur les trains à grande vitesse ou en ETCS niveau 2 : un train par bloc. Tant que le bloc devant vous est occupé, vous n’entrez pas, le signal est rouge et l’indicateur de vitesse vous montre une vitesse de « zéro ». Vous êtes à l’arrêt jusqu’à la libération du bloc. L’information qui vous dit que le bloc est libre est délivrée par un circuit de voie dans les rails. Quand celui-ci ne détecte plus de masses métalliques dans les rails, cela signifie qu’il n’y a plus de train dans le bloc, avec une certitude de quasi 100%. Donc, vous pouvez entrer dans le bloc suivant, son signal d’arrêt est passé vert ou à l’orange, et l’indicateur de vitesse en ETCS niveau 2 vous indique à quelle vitesse vous pouvez entrer.

Au plus les blocs sont de petites longueurs, au plus vous pouvez envoyer des trains sur une ligne, en général entre 8 et 12 trains par heure et par sens. Sur des petites lignes locales, certains blocs ont une longueur très grande, ce qui signifie que le débit en ligne est beaucoup plus faible, par exemple 2 à 3 trains par heure.

Que retenir de tout cela ?

La première chose, c’est que la détection des trains signifie beaucoup d’appareillages en ligne et de câbles à poser le long de la voie. Cela demande de l’entretien et des achats importants. Tout le monde sait que les appareillages électriques et électroniques coûtent très chers, même quand on achète en grande quantité. Le secteur de l’électronique et de l’électricité est très lucratif. De ce fait, une ligne de chemin de fer est de facto très coûteuse, et encore davantage si elle est électrifiée. Bien-sûr, ces investissements sont conçus pour le long terme. N’empêche…

La seconde chose, c’est que l’obéissance stricte à la signalisation est entièrement supportée par le facteur humain, même en cas de ETCS niveau 2. Bien-sûr, les équipements actuels permettent de détecter certaines fautes. Si vous ne freinez pas dans les 4 secondes quand votre indicateur de vitesse ETCS vous le demande, l’ordinateur enclenchera un freinage d’urgence jusqu’à l’arrêt complet du train. Mais c’est insuffisant. Et souvent c’est trop tard. « Les conducteurs de train ont peu de marge de manœuvre pour prendre des décisions », déclare Jürgen Siegmann, professeur de transport ferroviaire et d’exploitation ferroviaire à l’université technique de Berlin.

Le troisième élément est bien évidemment le facteur « coût du personnel ferroviaire », qui est combiné aux facteurs opérationnels. Le chemin de fer est réputé pour ses grands besoins en personnel, alors que pour d’autres transports, un seul homme suffit parfois. Nous songeons aux manœuvres dans les installations industrielles ou dans les gares de triages. Dans certains services publics ferroviaires, les salaires mangent plus de la moitié du chiffre d’affaire. Les aspects financiers ne doivent pas être sous-estimer. Selon certains experts, la couverture des coûts d’un train régional autonome pourrait augmenter de 60%, ce qui intéresse bien évidemment les autorités organisatrices de transport et l’État. Ce n’est malheureusement pas vérifiable à l’heure actuelle.

La conclusion est donc que les chemins de fer sont à la recherche d’une baisse des coûts opérationnels, par le biais d’une signalisation nouvelle moins gourmande en appareillages, et de réduction du facteur humain, là où c’est possible. En Allemagne, un rapport d’expert fin septembre 2018 montrait que pour absorber la croissance et le modal-shift rêvé à l’avenir par un plus grand nombre de trains sur le réseau, il faudrait multiplier les voies sur les lignes encombrées. Cette solution coûterait presque deux fois plus cher que la numérisation, prise dans toute ses composantes, pas seulement via le train autonome. Un seul point sur lequel ils ne tergiverseront pas : la sécurité. Voyons un peu ce qui se prépare concernant le train autonome.

Rio Tinto

Rio Tinto exploite environ 200 locomotives sur plus de 1 700 km de voies dans le Pilbara, en Australie, ce qui lui permet de transporter du minerai de 16 mines vers quatre terminaux portuaires. Le 10 juillet 2018, un train composé de trois locomotives et décrit par la firme comme « le plus grand robot du monde », a parcouru plus de 280 km entre les grandes mines de Tom Price et le port de Cape Lambert. Le train était surveillé à distance par le centre des opérations de Rio Tinto à Perth, à plus de 1 500 km. Les locomotives étaient équipées du logiciel AutoHaul et de caméras embarquées pour la surveillance depuis le centre. Bien évidemment, ce train roulait seul sur une ligne à voie unique en région désertique, où la probabilité d’un obstacle était certainement faible, en dépit de quelques passages à niveau.

« Nous travaillons en étroite collaboration avec nos conducteurs pendant cette période de transition, et nous préparons notre personnel à de nouvelles méthodes de travail grâce à l’automatisation » explique Ivan Vella, directeur général de Rio Tinto Iron Ore. Selon un autre dirigeant de la firme, « grâce à ces capacités, [le logiciel] AutoHaul a démontré lors des essais que les trains autonomes livraient le produit au port 20% plus rapidement qu’un train [conduit par l’homme]. » Signe que cette expérience est prise au sérieux, l’Organisme national de réglementation de la sécurité ferroviaire (ONRSR) en Australie a approuvé la technologie qui sous-tend tout le système, AutoHaul.

ProRail et Rotterdam Rail Feeding (RRF)

Le gestionnaire d’infrastructure ferroviaire néerlandais ProRail avait annoncé lors des journées RTE-T à Rotterdam qu’il souhaitait créer les conditions permettant de tester le fonctionnement automatisé des trains de marchandises sur la liaison appelée Betuwe Lijn, une ligne réservée au trafic de fret entre Rotterdam et l’Allemagne.

Dans le cadre du corridor A de l’ERTMS, cette ligne est entièrement équipée du niveau ETCS 2 (SRS 2.3.0), donc sans signaux latéraux, à la manière des lignes à grande vitesse. Il s’agit d’une exigence d’infrastructure minimale pour une opération automatisée, même si à l’origine, l’ETCS était spécifié pour un fonctionnement en mode manuel. Alstom a signé un accord avec ProRail et Rotterdam Rail Feeding (RRF) pour effectuer les tests. Il est prévu qu’une locomotive RRF roulera sur environ 100 km du port de Rotterdam jusqu’au terminal de fret CUP de Valburg en utilisant un ATO sur les sections de ligne que Alstom a déjà équipé avec ETCS niveaux 1 et 2. Ici, le train est contrôlé par ordinateur, mais le conducteur est toujours à bord, fait fonctionner les portes, démarre le train et peut prendre le contrôle si nécessaire.

Les tests de Rio Tinto et de Pro Rail ne concernent que des trains de marchandises. Qu’en est-il des trains de voyageurs ? Comme dans le cas des voitures, il existe également une classification internationale des niveaux d’automatisation dans les transports publics, ou «niveaux d’automatisation» (GoA). Quatre niveaux d’automatisation sont disponibles, et les test s’orientent dans un premier temps sur les niveaux 2 et 3. Pour le niveau 2, le système prend en charge le trajet du début à la fin, mais le conducteur est toujours responsable de l’opération des portes et du démarrage du véhicule. Pour le niveau 3, le train fonctionne sans chauffeur mais un agent de bord contrôle toujours les portes et peut déplacer le train via un système d’urgence.

Deutsche Bahn

Le champion européen du rail transforme actuellement environ une section de plusieurs kilomètres près de Chemnitz en un terrain d’essai pour train autonome. DB Regio, filiale de la DB, a mis à niveau une rame automotrice, avec des caméras et des capteurs dans son atelier de Chemnitz. Le système doit détecter les obstacles et arrêter le train en cas de problème. A l’automne 2018, ce train devrait être exploité en partie automatiquement. Seule l’approbation de l’autorité fédérale des chemins de fer fait toujours défaut.

« La conduite autonome est un complexe. Le système ferroviaire, où les trains de voyageurs rapides et lents et les trains de marchandises circulent et sont mélangés, est plus difficile qu’un métro – mais c’est possible. Les premiers projets pilotes sont en cours, et nous avons mis en place une zone d’essai sur l’Erzgebirgsbahn. La conduite entièrement automatique par rail est la prochaine grande étape de développement et une question de temps. » déclarait l’ancien PDG Rüdiger Grube en 2016. Depuis lors, la DB a signé une convention avec la SNCF concernant le train autonome.

>>> Voir : Allemagne, quand la Deutsche Bahn aide le secteur routier

La DB soulignait pourtant en 2015, année marquée par des grèves, que « dans notre philosophie de la sécurité, les conducteurs de trains restent un pilier essentiel. » Les enquêtes auprès des clients ont montré que les passagers ne veulent pas abandonner les conducteurs de train. Trois années plus tard, est-ce toujours le cas ?

Les CFF

« Ce qui pourrait vous surprendre, c’est que nous sommes également une grande entreprise de logiciels », déclare Erik Nygren, chercheur en analyse commerciale et en intelligence artificielle au sein de la société ferroviaire suisse CFF. La Suisse compte aussi sur le train autonome.

Dans la nuit du 5 décembre 2017, les CFF ont testé pour la première fois un train autonome sur la ligne Bern-Olten. Ce train freinait et accélérait indépendamment de toute action du conducteur. Celui-ci ne contrôle que les processus et la fonction des systèmes, à la manière des pilotes dans un cockpit d’avion. Le constructeur Stadler Rail y voit aussi un énorme avantage : « ce voyage était une première et c’est la preuve que vous devez continuer à faire face à la concurrence sur le marché ferroviaire hautement concurrentiel, » a déclaré Peter Spuhler, PDG de Stadler. En d’autres mots : il s’agit de se prémunir contre la concurrence (chinoise ?) et, pour la Suisse, le train autonome fait partie d’une stratégie plus large d’exportation de technologies du pays. La Confédération est dans le top 5 des pays misant sur l’intelligence artificielle, et ceci explique aussi cela.

Contrairement à la prudence de l’Allemagne, les plans des CFF pour la future stratégie « SmartRail 4.0 » montrent que l’automatisation partielle des trains serait prévue pour « les années à venir » et que l’exploitation de trains entièrement automatisés démarrerait dans la période après 2025. Optimiste ? On verra.

Autriche

L’Autriche est aussi à la pointe du progrès. Avec ses voisins suisses et allemands, on constate que c’est finalement toute la région germano-alpine qui se lance dans la technologie ferroviaire digitale. La ligne est située entre Oberwart dans le Burgenland et Friedberg dans le Stiermarken. Il y a 8 gares, douze passages à niveau et un tunnel de 524 mètres de long. Cette variété du contexte environnemental va permettre aux ÖBB de tester différentes situations pouvant survenir lors d’un voyage en train, dans le cadre d’un projet d’automatisation.

Une automotrice exploitée par Stern & Hafferl Verkehrsgesellschaft Traunseebahn a été reconstruite et équipée de divers capteurs (scanner laser, vidéo mono et stéréo, radar, infrarouge et les ultrasons, ainsi que la localisation des capteurs, en liaison avec des algorithmes appropriés) pour la détection et le contrôle obstacle pour la conduite automatique. À l’aide d’un logiciel spécialement développé, l’engin peut conduire de manière totalement autonome, contrôler les points d’arrêt et freiner de manière contrôlée en cas d’obstacles. Le système est basé sur une solution de protection des trains et de contrôle développé conjointement par Siemens Austria et FH Haute-Autriche (Research Group Rail Automation du campus de Wels).

Ce projet appelé « autoBAHN2020 » vise à créer un système de démonstration et un environnement associé pouvant servir de base au développement et à l’approbation de futurs produits concrets pour le transport public afin de faciliter le trafic des trains locaux autonomes sur des lignes secondaires. Siemens Autriche est impliqué dans le projet en ce qui concerne l’approbation du système ainsi que la commande de conduite et de freinage.

Et en France ?

Peu avant Innotrans 2018, l’opérateur ferroviaire national français SNCF a annoncé son intention d’introduire des prototypes de trains de grande ligne sans conducteur pour passagers et marchandises d’ici 2023. La SNCF s’associera aux spécialistes du matériel roulant Alstom et Bombardier, qui seront respectivement à la tête de consortiums pour le transport de marchandises et de passagers. Selon Guillaume Pepy : « Avec les trains autonomes, tous les trains fonctionneront de manière harmonisée et à la même vitesse. Le système ferroviaire va devenir plus fluide ». Il est difficile de savoir d’où sort cette assertion, laquelle reste à ce jour non vérifiée et non vérifiable. On peut comprendre de manière indirecte que le deuxième transporteur d’Europe ne veut pas se laisser distancer par ses voisins. L’opérateur ferroviaire français a indiqué qu’il discutait avec l’opérateur allemand Deutsche Bahn pour promouvoir une norme européenne pour les trains sans conducteur.

Thameslink à Londres

Terminons par un véritable test en vraies conditions. Govia Thameslink Railway, qui détient la franchise Thameslink, une ligne nord-sud qui traverse Londres, a débuté un vrai premier test en mars 2018. Après presque 18 mois d’essais, le premier train de banlieue en service automatique fût celui de 9h46 entre Peterborough et Horsham. Peu après 11h08, le chauffeur, Howard Weir, a appuyé sur le bouton jaune de la cabine qui permettait à l’ordinateur du train de conduire entre St Pancras et Blackfriars, en plein centre de Londres.

Gerry McFadden, directeur technique de la société mère de Thameslink, rassure tout le monde : « Nous aurons toujours besoin d’un chauffeur dans la cabine, mais cette technologie nous permet de faire circuler plus de trains, plus souvent que nous ne pourrions le faire manuellement. Pour les voyageurs, les trajets n’auront jamais été aussi fluide. » Avec 24 trains par heure en heure de pointe, Thameslink n’a aucun intérêt à se tromper. Nous sommes à Londres, sur l’un des réseaux ferroviaires les plus encombrés du monde. Et dernièrement, de nombreux couacs sont venus perturber le quotidien des navetteurs de la capitale britannique, pour d’autres raisons. L’heure n’est donc plus aux tergiversations : il faut que cela fonctionne !

Conclusion

On n’en est qu’au début. Le train autonome intéresse deux branches distinctes des chemins de fer : le fret d’une part, les passagers d’autre part. On peut être certain que dans certaines conditions, comme en Australie, les trains de fret bénéficieront en premier de la locomotive autonome. Avec ces développements récents, on pourrait se demander s’il est plus facile d’introduire des trains de voyageurs autonomes dans le trafic de masse avant que les voitures autonomes ne parviennent au trafic. Mais cela n’arrivera pas de sitôt. Une automatisation complète nécessiterait une technologie de traitement d’image avancée transmettant les informations à grande vitesse aux unités de contrôle à tout moment. Ces systèmes doivent également être maintenus en permanence par un personnel hautement qualifié, ce qui augmenterait les coûts.

Ceux qui affirment cela feraient peut-être bien de relire Schumpeter….

Références

• Autonomous Cars: The most disruptive innovation ever
• Why Don’t We Have Driverless Trains Yet?
• Zukunft Mobilität (site web en allemand)
• AI Think I Can: Why GPUs Could Be the Engine Leading Us to Autonomous Trains
• Rio Tinto setzt zum Eisenerztransport in Australien auf fahrerlose Güterzüge
• Rio Tinto achieves first autonomous train iron ore delivery
• Annaberg-Buchholz and TU Chemnitz Intend to Establish Research Campus for Automated Train Operation
• Autonome Züge: Deutsche Bahn startet Pilotprojekt
• Wenn der Computer den Zug steuert
• Roboterzüge: Verlieren SBB-Lokführer bald den Job?
• Zug ohne Lokführer ist keine Vision
• Alstom to perform automatic train operation test drive with Prorail and RRF
• Autonome Züge kommen! Aus der Traum vom Lokführer?
• Test track for autonomous trains in Austria
• Fully autonomous trains are better suited for moving ores than people
• Höhere Effizienz ohne Lokführer?
• Regionalbahnen auf dem Weg in die Zukunft
• Digitalisierung im öffentlichen Verkehr