Gestion et optimisation de l`usaGe des infrastructures

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carrefour final
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mai
2008
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Gestion et optimisation de l’usage
des infrastructures ferroviaires
Rédaction : Bertrand Theys
Secrétariat permanent du Predit
2008
Mages : aide à la gestion des sillons
Le transport ferroviaire des personnes ou des marchandises présente des avantages
certains en terme d’efficacité énergétique sous réserve d’un bon taux d’utilisation des
capacités des trains mis en circulation. De plus, du fait qu’il s’agit d’un mode guidé, l’usage
de l’électricité comme énergie de traction est relativement aisé à mettre en œuvre.
Cependant, le fait même que ce mode soit guidé impose des contreparties, notamment
la disponibilité d’infrastructures assez lourdes et l’imposition de règles strictes
de circulation afin de respecter des impératifs de sécurité et d’assurer la fluidité du trafic.
Réseau Ferré de France gère près de 30 000 km de lignes ferroviaires ouvertes
à la circulation commerciale et reçoit annuellement 7 millions de demandes de réservation
de sillons : ces chiffres justifient la mise au point de règles de gestion et d’optimisation
les plus rigoureuses
L’objectif de cette recherche est de proposer un outil de planification et d’ordonnancement de la marche
des trains et une gestion optimisée en temps réel des sillons, notamment en situation perturbée.
A cet effet, les facteurs de dysfonctionnement dans l’exploitation des lignes ferroviaires, notamment
organisationnels, ont été au préalable identifiés. La première phase de l’étude a consisté en un travail
d’enquête permettant de connaître les demandes entre différentes gares aussi bien en marchandises
qu’en voyageurs. Dans un deuxième temps, les différentes parties des modules constitutifs du système
ont été abordées.
• évaluation de la demande.
• planification prévisionnelle du trafic de trains.
• ordonnancement de la circulation.
• résolution des problèmes en «temps réel».
Les modules développés sont rassemblés dans une bibliothèque de routines permettant de traiter
les différents problèmes identifiés dans la gestion ferroviaire. Ils constitueront le cœur numérique des
logiciels de gestion de sillons comme ceux développés actuellement par la Direction de la Recherche
et de l’Innovation de la SNCF en améliorant leur temps de réponse, la qualité des solutions retenues
et leur robustesse.
(Université du Havre, Laboratoire de Mathématiques appliquées, Université d’Avignon, Laboratoire
d’Informatique, Cirtal, SNCF, financement Ademe dans le cadre du plan VPE).
La problématique
Et après ?
L’augmentation conjointe du trafic ferroviaire et des vitesses
de circulation couplée à une exigence plus forte de la clientèle
quant au respect des horaires et délais d’acheminement rendent
indispensables la poursuite de l’optimisation de l’utilisation
des infrastructures ferroviaires, tout en prenant en compte les
impératifs d’interopérabilité qui s’imposent désormais.
Comme évoqué dans les paragraphes précédents, les
technologies de l’information et de la communication
seront à l’avenir des outils précieux pour ce faire. Mais, des
développements nouveaux sont à prévoir. Au niveau des
logiciels, les techniques d’optimisation doivent être encore et
toujours améliorées. Diverse approches existent pour développer
de tels logiciels. La vitesse de calcul doit être un des facteurs
à rechercher en priorité car dans les applications visées ici le
temps est un élément déterminant pour des raisons de sécurité
et de réactivité face à des situations perturbées. L’optimisation
concerne principalement l’établissement d’un nouveau planning
des circulations après aléas ainsi qu’une adaptation de l’utilisation
des ressources (matériels, agents, etc).
Contacts
Bertrand Theys
01 40 81 22 73
Stéphanie
De Sa Rego
01 40 81 15 68
Si l’optimisation de l’usage des infrastructures est un élément
clé, l’optimisation de la marche des trains en est un autre
Cette évidence se traduit par la nécessaire prise en compte
dans les processus d’optimisation de l’aspect économique
(au sens économie d’énergie) de la conduite des trains
Il s’agit d’un impératif qui se justifie tant pour des raisons
de préservation des ressources énergétiques que pour des
motifs de compétitivité économique. Gérer la circulation sur les
infrastructures nécessite aussi de connaître avec une précision
suffisante la localisation et la vitesse des divers convois afin de
pouvoir prendre les mesures appropriées à la situation réelle. La
géolocalisation est donc un facteur clé et, même si une voie
ferrée est un système à une dimension, des progrès doivent
être réalisés pour connaître avec précision la position des trains.
C’est là encore un impératif de sécurité mais aussi d’efficacité.
Le repérage par satellite à ses limites tant au niveau de la
précision qu’au niveau des zones d’ombre consécutives aux
obstacles naturels (relief...) ou artificiels (tunnels...) et peut être
alors remplacé dans ces lieux par des mesures odométriques.
La fiabilité des nouvelles techniques d’exploitation des
infrastructures tel le cantonnement mobile (à une échéance
qui reste à déterminer), est tributaire de localisations fiables et
précises.
Les moyens de communication sont eux aussi une des
clés de l’efficacité globale des dispositifs. Un train est par
nature mobile mais il doit à la fois envoyer des informations
vers un centre de décision (pour que ce centre choisisse
en connaissance de cause) et recevoir des messages (pour
connaître et être en mesure d’appliquer les dispositions
imposées par le centre de décision). Des techniques de
communications existent déjà (GSM-R exploitée dans l’ERTMS)
mais des améliorations sont souhaitables pour en améliorer la
fiabilité. Les communications à courte distance doivent
également être développées. Là aussi divers standards existent
mais ils ne sont pas forcément adaptés au monde ferroviaire
caractérisé par des risques élevés d’interférence et par un
environnement électro-magnétique particulièrement perturbé.
Ces communications à courte distance pourraient également
être exploitées pour communiquer entre les diverses parties
d’un même train : on pourrait ainsi exploiter des trains plus
longs et plus lourds en incluant plusieurs engins de traction
qui communiquent entre eux au sein de a rame et aussi en
assurant un freinage plus homogène en s’affranchissant des
délais de propagation de la dépression sur la longueur du convoi.
Les voies de chemin de fer et les équipements connexes sont par essence des infrastructures lourdes
qui nécessitent que des moyens financiers importants y soient consacrés, notamment lorsque des ouvrages d’art
s’avèrent nécessaires.
Par ailleurs, hors le simple fait de l’occupation des sols qui est déjà pénalisant, le passage d’une ligne ferroviaire
impose des contraintes (bruits, rupture de l’espace, conséquences sur les paysages...). La construction de lignes
nouvelles nécessite par ailleurs des procédures d’acceptation souvent longues et difficiles malgré l’intérêt
qu’elles représentent pour la collectivité.
Ces divers éléments amènent naturellement à minimiser le nombre et l’encombrement des infrastructures.
Toutefois, une évidence s’impose : la nécessité de faire face à une mobilité croissante des personnes et des biens.
L’optimisation de l’usage des infrastructures existantes s’impose afin d’y faire transiter un trafic plus important
et d’en augmenter ainsi la capacité.
Mobilité
Sécurité
des transports
Au niveau des infrastructures, même si des progrès ont là aussi
été réalisés, des efforts restent à obtenir en ce qui concerne
les connaissances de la tenue des infrastructures
(voies, caténaires...). Les mécanismes de vieillissement et de
dégradation sont en général le résultat de processus physiques
complexes qui ne sont pas maîtrisés. Mieux les comprendre
permettrait une meilleure gestion de la maintenance
préventive, seule à même d’éviter les incidents de circulation
consécutifs aux défaillances de l’infrastructure. Le même
raisonnement s’applique par ailleurs au matériel roulant.
Transport
de marchandises
A côté de ces travaux à dominante technologique, il faut garder
présent à l’esprit que malgré tous les automatismes mis en
place, le facteur humain reste d’une importance capitale aux
divers niveaux, notamment à celui de la sécurité. Les divers
aspects du comportement humain doivent donc aussi faire
l’objet de travaux de recherche et la gestion du personnel ne
doit pas être oubliée, notamment le personnel de conduite.
Politiques
de transports
Enfin, pour convaincre ceux qui doutent encore de l’opportunité
d’une gestion optimisée des infrastructures ferroviaires,
les calculs économiques et les études socio-économiques
s’avèrent souvent être des instruments d’une grande
efficacité... Il faut donc les développer et les affiner !
Environnement
Énergie
Intégrations
technologiques
Cette optimisation nécessite le plus souvent le déploiement d’outils d’exploitation sophistiqués. Afin d’assurer
la sécurité et la fluidité du trafic, la régulation de la circulation des convois ferroviaires a été assurée et continue
à l’être sur nombre de lignes par un système de « cantonnement »1 fixe. Le but est d’assurer le respect
d’un espacement minimum entre 2 trains en garantissant la non occupation d’un canton avant la pénétration
du train ou d’éviter les collisions lorsqu’une voie vient en rejoindre une autre. Mais cette technique
de cantonnement fixe atteint ses limites pour les lignes à fort débit et/ou vitesses de circulation élevées,
notamment dans les situations perturbées.
Fort heureusement, grâce aux possibilités nouvelles offertes par les technologies de l’information
et de la communication (TIC) de nouvelles techniques d’exploitation et de régulation des lignes peuvent être
envisagées. Le déploiement progressif du système d’exploitation ERTMS, commun à différents réseaux européens
et fondé sur une gestion innovante du système de cantonnement, en est une illustration, en particulier
pour ERTMS3, la version la plus avancée incluant les cantons mobiles. Ce système étant rendu obligatoire
par les « spécifications techniques d’interopérabilité » (STI), il permet en outre d’envisager à relativement court
terme la généralisation de la notion d’interopérabilité afin de faciliter les échanges internationaux, au départ
sur de grands corridors
1. La voie est divisée en tronçons fixes (« cantons »). Grâce a un dispositif adapté, un convoi marque sa présence dans un canton donné. Un convoi ne peut pas
entrer dans le canton devant lui si un autre convoi s’y trouve déjà.
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des infrastructures ferroviaires
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Les actions du Predit 3
Au sein du Predit, la gestion des infrastructures
ferroviaires relève de plusieurs groupes car le sujet
peut être traité sous différents angles : GO 6
(pour l’exploitation des trains), GO 9 (apport des
technologies de l’information et de la communication)
et GO 4 (sécurité). Les financements sont issus de la
DGMT et de la Drast du Medad, de l’Ademe et de l’ANR.
L’optimisation de l’exploitation a été appliquée
à diverses situations. La gestion, toujours délicate,
des nœuds et étoiles ferroviaires où se succèdent
différentes catégories de trains (TGV, TER, trains
de fret) a fait l’objet d’une étude ayant pour but de
maîtriser la fluidité du trafic, la ponctualité ainsi que
la consommation d‘énergie en intervenant sur la
vitesse des convois en amont. La gestion des sillons a
également été l’objet d’une recherche : elle nécessite
une rigueur accrue au fur et à mesure que la densité
de trafic augmente et que de nouveaux opérateurs
font circuler des trains. Elle doit également intégrer
la nécessité d’un retour rapide à la normale à l’issue
d’une perturbation. Les points-frontière avec les
réseaux voisins ont aussi été l’objet d’une attention
particulière. Ces lieux sont sensibles car ils sont
caractérisés par des discontinuités sur le plan de la
signalisation, des règles de circulation et de sécurité,
des moyens de traction... Il faut donc améliorer
la régulation des corridors internationaux afin de
minimiser les conséquences de ces discontinuités
et optimiser les flux pour réduire les temps de
parcours. L’intégration de la notion d’interopérabilité
entre les différents réseaux s’avère une nécessité
pour aplanir ces obstacles au libre franchissement
des frontières des états par les convois ferroviaires.
La mise en service de l’ERTMS apportera des
améliorations mais ne résoudra pas toutes les
difficultés. Il faut voir au-delà.
Hormis les aspects de gestion des circulations,
l’optimisation de la gestion des infrastructures
ferroviaires implique de prendre en considération
les infrastructure en elles-mêmes, notamment, la
maintenance et la prévention des dégradations
des voies et des plates-formes. Une recherche a
été consacrée aux effets sur les rails des sollicitations
liés à l’augmentation du trafic et à la croissance des
charges des convois. Celles-ci nécessitent d’être
prises en considération pour mieux apprécier la tenue
des dites infrastructures et les besoins d’évolution
des procédures et règles de maintenance qui en
découlent.
Au niveau des transports ferrés urbains et périurbains,
la croissance prévisible des sollicitations de service
rend indispensable la mise au point de plates-formes
performantes au niveau de la durabilité,
de la maintenance, des coûts... Une étude sur ce
thème a été consacrée à la sélection de matériaux
dans le but d’éviter le vieillissement prématuré et
d’aller vers plus d’efficacité et de rentabilité de
ces infrastructures tout en réduisant les délais
de réalisation, les frais de maintenance et les
perturbations d’exploitation qu’entrainent les .../...
Safir++ : fluidification des nœuds ferroviaires complexes
La marche des trains peut subir des aléas qui occasionnent des retards plus ou moins importants.
Pour les convois de fret, ces retards peuvent être très importants car ils circulent parmi les trains
de voyageurs plus rapides et la perte d’un sillon peut avoir un impact appréciable sur les délais de
la livraison au client, et partant sur la fidélité de ce client à ce mode de transport.
Ce phénomène est à l’origine d’une perte significative des parts de marché du fret ferroviaire.
Une raison bien identifiée de ce manque de fiabilité est la priorité accordée aux trains de voyageurs sur
les trains de marchandises dans les situations perturbées. Une des causes principales de perturbation
est le franchissement des nœuds ferroviaires tels que, par exemple, l’ «étoile» de Lyon, où les trains se
succèdent à une fréquence très élevée sur certaines portions de voies. Par effet «boule de neige», le
retard, même infime, d’un convoi peut créer des perturbations significatives sur l’ensemble des circulations.
Afin de minimiser ces inconvénients, la régulation du trafic autour de ces nœuds doit être particulièrement
performante. Elle implique d’intervenir sur les vitesses des trains en phase d’approche. Optimiser la gestion
des circulations permettra d’augmenter les débits, de réduire les retards et d’amoindrir les conséquences
néfastes des situations perturbées.
Outre la mise au point d’algorithmes spécifiques pour le traitement informatique d’optimisation (simulation
des circulations et recherche des vitesses optimales des divers convois circulant dans
la zone), les études ont démontré la nécessité d’équiper les engins de traction avec des moyens
de positionnement précis et performants. Des solutions pour pallier les faiblesses des systèmes
de localisation en cours d’exploitation ont été proposées.
(Direction de l’Innovation et de la Recherche de la SNCF, financé par la DGMT).
Novum : performances des rails sous accroissement des sollicitations de service
Du fait notamment de l’accroissement simultané du trafic, de la vitesse et du tonnage fret sur
certains axes ferroviaires, une meilleure appréhension du comportement des rails en réponse à des
sollicitations plus fortes s’avère nécessaire. L’optimisation des opérations de maintenance et des
techniques
de réparation est également opportune.
Face à ce constat, cette étude a poursuivi deux objectifs majeurs :
l la maîtrise des impacts, sur la sécurité et l’exploitation, de l’apparition dans le rail de phénomènes
nouveaux (fatigue de contact, fluage sous charge, impacts dynamiques) qui se superposent aux
modes déjà connus de dégradation (usure, corrosion…).
l la prévision de la croissance des fissures et d’autres défauts du rail compte tenu du mode
de sollicitation, en vue d’adapter les cycles de maintenance.
La recherche a fait appel à la simulation numérique suivie d’une phase de validation et de calage
expérimentaux des modèles. De ces résultats, le bilan de l’endommagement des rails en fonction
du trafic et des paramètres caractéristiques de l’infrastructure a pu être tiré et les cycles optimum
de surveillance, de maintenance ont pu être déterminés en vue d’augmenter la durée de vie du rail
et de prévoir avec fiabilité les besoins de renouvellement. Tous ces éléments bénéficieront à la
régularité et donc au service rendu aux chargeurs.
Ce travail a permis la réalisation de carte des endommagements par fatigue, la connaissance
approfondie des sollicitations et l’adaptation des cycles de surveillance et des matériaux.
Recherche effectuée dans le cadre du programme franco-allemand Deufrako.
(SNCF, RATP, Insa Lyon, École Polytechnique - LMS -, Sogerail, financée par la DGMT).
.../...
chantiers. Une technique basée sur l’utilisation
d’outils informatiques pour l’établissement de
diagnostics de l’état des divers éléments de
l’infrastructure ferroviaire a été mise au point.
Elle permet une surveillance fine de l’état de
ces éléments et, consécutivement, une prévision
et donc une prévention...) des défaillances par une
programmation adaptée des opérations
de maintenance.
Les aspects de sécurité participent également
d’une bonne gestion des infrastructures ferroviaires.
Cependant, les propositions de recherches reçues
par les groupes du Predit sur ce thème n’ont pas été
aussi nombreuses qu’espéré malgré l’importance
et l’actualité de ce sujet. Toutefois, une étude
significative y a été consacrée : elle consiste à établir
la démonstration de la sécurité de la globalité d’un
système ferroviaire en intégrant les automatismes,
le règlement d’exploitation et les opérateurs.
Les enjeux qui en découlent sont à la fois de
pérenniser les règles d’exploitation ferroviaires
issues d’un siècle d’expérience grâce à un formalisme
non ambigu et de modéliser efficacement les
interactions entre les systèmes «temps réels» et les
opérateurs, notamment dans les modes dégradés.
Quant à l’optimisation économique du
système d’infrastructures, elle a aussi été prise
en considération. Une comparaison de diverses
formules de tarification des péages d’infrastructures
a été établie afin de déterminer la solution la plus
efficiente en termes technico-socio-économique.
Dans le même domaine, la notion de « droit
d’accès au sillon » a été définie et évaluée. Ce droit
négociable pourrait se substistuer au « sillon »
afin d’autoriser une plus grande souplesse, en
vue d’une meilleure efficacité dans la gestion des
infrastructures.