GNSS et Rail : où en est-on · • Assurer un niveau de sécurité au moins aussi bon que le niveau actuel ... combinaison de sources hétérogènes : GNSS, UMTS et GSM-R (E ATS)

Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

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Institut françaisdes sciences et technologiesdes transports, de l’aménagementet des réseaux

GNSS et Rail : où en est-on ?

Juliette [email protected]

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Quels besoins ?

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Des applications déjà misesen œuvre

• Tous les TGV, trains de fret et une partiedes trains régionaux sont équipés derécepteurs 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 sécuritairesDes applications NON sécuritaires

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Le chemin…

Maintenance,Information voyageur,Contrôle des voies…

ERTMS L3

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Où en est-on ?En France et ailleurs

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De nombreux projets européens

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APOLO 1999-2001GADEROS 2001-2004INTEGRAIL 2001-2004LOCOPROL 2001-2004GIRASOLE 2005-2007ECORAIL 2001-2005RUNE 2001-2003LOCASYS? 2006-2009GRAIL 2005-2007GRAIL2 2010-2013EATS 2012-2016SATLOC 2012-2014GALOROI 2012-2014DITPOS RAIL 2014-2015IRISS 2012-2014SafeRail In progress3inSat In progressNGTC In progressERSAT In progressSTARS In progress


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Des points communsObjectifs et cible

La cible n°1 : les lignes à faible trafic

• Réduire les coûts liés à l’équipement et la maintenance des voies (enparticulier pour les lignes à faible trafic) – sauver ces lignes

• Augmenter la capacité du réseau.

Les objectifs :

• S’inscrire dans ERTMS/ETCS• Assurer un niveau de sécurité au moins aussi bon que le niveau actuel

(enjeu GAME)• Une évolution de la fonction localisation• Une migration « en douceur » : Pas de révolution sur les règles de

signalisation et l’architecture du système

Des exigences :

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La position dans ETCS

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Position balise

ETCS :Position tête de train = positionbalise + distance parcourue


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Balise !

La balise virtuelle

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Position tête de train = positionbalise virtuelle + distanceparcourue


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Interférences?(intentionnelles

ou non)

Interférences?(intentionnelles

ou non)

Impact de l’environnement local


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Les enjeux

Consolider lesbesoins ?

Fournir unesolution qui y

réponde

Evaluer lesperformances(dans tous les

environnements)

Démontrer lasécurité

Certifier lasolution

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L’expression des besoinsDes initiatives diffuses ?

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GNSS railuser

forum(2000)

Projetseuropéens

FP5,6,7(ex GRAIL

2007)

Projetseuropéens

ESA

Projetsnationaux

Etude dela DB ?

Etude SNCF(en cours)


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Les solutions : des choixtechnologiques différents

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Objectif : Assurer disponibilité, précision, intégrité

Associer GNSS et autres capteurs• Odomètre, gyromètre (APOLO, GADEROS)• Combiner différentes techniques : multi-antennes pour la réduction des multitrajets,

combinaison de sources hétérogènes : GNSS, UMTS et GSM-R (EATS).• Capteurs à courant de Foucault (Galoroi)• Fusion de BDD cartographique de la voie + odomètre + INS + EGNOS (Article

Zheng&Cross (2012) – UK)• Système multi-capteurs & map-matching pour le CTCS (Chinese Train Control System)

(Article Lui&al (2011) – Beijing Jiaotong Univ.)

Technologie GNSS « avancée »• Utilisation de paires de satellites (LOCOPROL) et odomètre• Récepteur multi-constellations, multi-fréquences, et réseau de surveillance de

l’intégrité (3inSat)


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Le niveau de sécurité

Cet objectif n'est pas attribué au GNSS seul mais ausous système !

Exemple : Dans GRAIL 2, la fonction odométrie est SIL4,mais le GNSS SIL2.

Cet objectif n'est pas attribué au GNSS seul mais ausous système !

Exemple : Dans GRAIL 2, la fonction odométrie est SIL4,mais le GNSS SIL2.

Le niveau de sécurité est défini dans la Spécification Techniqued'Interopérabilité CCS.Le THR (Tolerable Hazard Rate) alloué à la défaillance de l'ETCS bord ou solest de 1.0*10-9 failure/hour.Dans les normes de sécurité ferroviaires, cela correspond à un SIL4.

Le niveau de sécurité est défini dans la Spécification Techniqued'Interopérabilité CCS.Le THR (Tolerable Hazard Rate) alloué à la défaillance de l'ETCS bord ou solest de 1.0*10-9 failure/hour.Dans les normes de sécurité ferroviaires, cela correspond à un SIL4.

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Fournir une localisation sûre ?Des choix techniques différents

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Utiliser la redondance

La redondance dessignaux (utilisationde paires desatellites) - positionassortie d’unintervalle deconfiance(LOCOPROL)

La redondance decapteurs et del’architecture et unvote pour vérifierleurs cohérences(GALOROI, GRAIL2)

Des méthodes dedétection et exclusionde sources défaillantes

Marais&al (2005) Utilisationde l’image pour la détectionde l’état de réception dessatellites GNSS

Liu&al (2011) Une architecture à 3niveaux – élimine les erreurs lors desétapes de collecte des donnéescapteurs, de la fusion et du map-matching

Legrand&al (2014) Analyse de lapropagation des erreurs dans unsystème multi-capteurs basée sur uneanalyse causale

Mettre en œuvre destechniques desurveillance de

l’intégrité

Un réseau local desurveillance del’intégrité basé surEGNOS (3inSat)


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Comment évaluer lesperformances ?Simuler• Répétabilité, maitrise des conditions de tests, variation de la constellation, à

moindres coûts Couplage simulateur ERTMS/GNSS (Ifsttar), Simulateur ATLAS de CEIT Un objectif de Shift²Rail – zero testing approach

Démontrer sur site• Presque tous les projets 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 dumasquage, simulé dans un simulateur de signaux (Marais&al, 2014)

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Evaluer lesperformances(dans tous les

environnements)


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Le projet EU STARS2016-2018

Prin

cipa

ux o

bjec

tifs e

tré

sulta

ts a

tten

dus Développer une approche universelle pour

prédire les performances GNSS enenvironnement ferroviaire, en particulier pourdes applications ERTMS à caractère sécuritaireet déterminer les évolutions d’ETCSnécessaires pour inclure les services GNSSQuantifier les bénéfices économiques, laréduction des coûts et l’appel sur le marchéERTMS;Assurer l’interoperabilité entre équipement dedifférents fournisseurs;Permettre l’inclusion du GNSS dans ERTMS


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Comment démontrer la sécurité ?

• Les critères de sûreté de fonctionnement ferroviaire(FDMS) ne sont pas équivalents aux définitions desperformances GNSS

• Des liens établis dans : Filip&al (2008), Beugin&al (2012)

1. Selon quels critères ?

• Des méthodes de SdF à adapter aux systèmes sans fil ouaux systèmes multi-capteurs : Utilisation de réseaux dePétri Beugin&al (2008), Nguyen&al (2014, 2015) -GALOROI

• Safety plan, safety assessment process : Evaluationindépendante du SIL2 atteint par le sous-systèmeodométrique – GNSS UT - effectuée par Veritas (ISA) surla base de documents fournis par Thales (GRAIL2 2013).

2. Avec quelles méthodes ?

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Démontrerla sécurité


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Aujourd’hui en France• Un groupe de travail BNF/BNAE sur

l’utilisation du GNSS pour le ferroviaire• Un séminaire « ferroviaire applications

GNSS » à Toulouse le 24 mars• L'objet de ce séminaire est de cartographier les besoins du

secteur ferroviaire qui pourraient trouver une solution via lanavigation par satellite, en particulier autour de l'exploitation deslignes régionales.

• Participation de TAS-F et Ifsttar au projetH2020 STARS, Implication dansShift2Rail…

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Aujourd’hui en Europe

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STARS

ligne piloteen Sardaigne

(2017 –ERSAT)


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Aujourd’hui ailleurs

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Le déploiement était prévu pour fin 2015

site

Il existe plusieurs systèmes PTC : I-ETMS(Interoperable Electronic TrainManagement System) qui repose sur leGPS, et l’ACSES (Advanced Civil SpeedEnforcement System) qui utilise destranspondeurs sur la voie

Ligne simple

1 train à la fois entre deux gares


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Aujourd’hui ailleurs• UruguayContrat signé (21/12/2015) pour l’introductiond’un système de contrôle basée sur le satellite1600km/4 prochaines annéesRemplacement des blocs fixes

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• AustralieARTC en partenariat avec LockheedMartin – ATMS (Advanced TrainManagement System) en phase de test

https://atms.artc.com.au


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Conclusions• Un foisonnement de projets visant les

applications sécuritaires…• Le rail est aujourd’hui reconnu comme un

secteur d’applications GNSS !• Des résultats nombreux issus de projets et

de recherches sur lesquels s’appuyer pourpoursuivre

• Une dynamique forte !

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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), 1779-1792.• 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 andMaintenance.

• Vegni, C., Tosti, M., & Vegni, A. M. (2013). Innovative Radiating Systems for Train Localization in Interference Conditions. InternationalJournal of Antennas and Propagation, 2013.

• Filip, A., Mocek, H., & Suchanek, J. (2008, May). Significance of the Galileo Signal-in-Space Integrity and Continuity for RailwaySignalling 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 railwaylocalization. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 22, 42-57.

• Nguyen, T. K., Beugin, J., & Marais, J. (2015). Method for evaluating an extended Fault Tree to analyse the dependability of complexsystems: Application to a satellite-based railway system. Reliability Engineering & System Safety, 133, 300-313.

• RSSB report (2009) Obtaining data to assess the dependability of GNSS information and accuracy of odometry. Introduction, lessonslearnt, conclusions and recommendations

• Marais, J., Meurie, C., Attia, D., Ruichek, Y., & Flancquart, A. (2013). Toward accurate localization in guided transport: combining GNSSdata 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), 1697-1704.

• MARAIS, J., Meurie, C., Flancquart, A., LITHGOW, S., & BARBU, G. (2014, January). Innovative simulations of GNSS performances in arealistic 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 FreightApplication, European Navigation Conference 2008.

• Marais, J., Meunier, B., & Berbineau, M. (2000). Evaluation of GPS availability for train positioning along a railway line. In VehicularTechnology Conference, 2000. IEEE-VTS Fall VTC 2000. 52nd (Vol. 5, pp. 2060-2067). IEEE.

• GRAIL 2 deliverable, WP4, D4.4, Safety Approval Process, disponible sur http://grail2.ineco.es,• GRAIL 2 deliverable, WP4, Evaluation of THALES GNSS UT odometric system based on satellite system, disponible sur

http://grail2.ineco.es,• 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, 26-28 November 2013, Canberra, ACT, Australia.

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Inventer la mobilité durableAdapter les infrastructures

Maîtriser les risques naturels et les impacts environnementauxPenser et aménager les villes et les territoires

LYON

IFSTTARInstitut français des sciences et technologies des transports,

de l’aménagement et des réseaux

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Inventer la mobilité durable

Adapter les infrastructures

Maîtriser les risques naturels et les impacts environnementaux

Penser et aménager les villes et les territoires

Rail Industry Meeting 16 – 17 mars 2016

www.cisit.org [email protected]

Energie - EnvironnementSécurité - Sûreté - FiabilitéMobilité - Logistique

FerroviaireAutomobileLogistique - FretNouvelle Mobilité

Automatique – Informatique - ElectroniqueMécanique des matériaux et des structuresMécanique des fluidesSciences Humaines et Sociales

Challenges & secteurs impactés

Les objectifs ELSAT2020 by Cisit

L’Humain dans les transports et sa mobilité

Optimisation des Systèmes de Mobilité et Logistique

Nouveaux matériaux et concepts structuraux

Dimensionnement et performance des fonctions véhicule

Innovation par les TIC et changements de comportementsSystème de mobilité et d’accessibilité durable à la croisée del’économique, du juridique et du social

Le collectif

330 chercheurs, ingénieurs de recherche et techniciens Programmes scientifiquesdéclinés en 22 projets

Champs disciplinaires

Dimensionnement et performance des fonctions véhicule

Projet 1 : Performance des infrastructures urbaines et sécurité de la mobilité :

Projet 2 : Systèmes de communications et de localisations fiables et intelligents :

Projet 3 : Maintenance prédictive autonome des systèmes de transports câblés :

Projet 4 : Cyber-sécurité dans les systèmes communicants :

Projet 5 : Techniques et outils pour la compétitivité ferroviaire : Faire face à la croissance de la demande de transport ferroviaire Accroître sécurité et disponibilité du transport ferroviaire et l’adapter aux nouvelles attentes du marché

(interopérabilité, flexibilité et confort).

Augmenter sécurité́ et fiabilité́ systèmes traitement information dans la gestion des situations d’urgences Réduire nombre décès: Faciliter accès véhicules d’urgences et acheminement blessés vers les hôpitaux

Améliorer la disponibilité et la fiabilité du réseau de transport Améliorer la maintenance prédictive Réduire les coûts de maintenance et d’immobilisation du matériel

Optimiser le trafic ferroviaire, augmenter la capacité et généraliser l’interopérabilité Réduire drastiquement les coûts d’exploitation, de maintenance et d’infrastructure Fiabiliser, sécuriser, accroître la sûreté

Réduire le nombre de collisions en milieu urbain Protéger les usagers et assister la conduite Permettre aux opérateurs de transport une analyse de niveau du service rendu Améliorer, adapter l’infrastructure urbaine

Conf. 17 mars - 11h à 13 h« Cyber-sécurité dans le ferroviaire »

Conf. 16 mars10h/10h30

« GNSS et ERTMS »

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Documents

GNSS et Rail : où en est-on · • Assurer un niveau de sécurité au moins aussi bon que le niveau actuel ... combinaison de sources hétérogènes : GNSS, UMTS et GSM-R (E ATS)