EP3999394A1

EP3999394A1 - Véhicule ferroviaire comportant un système de conduite en autonomie et procédé d'utilisation dudit véhicule ferrovaire

Info

Publication number: EP3999394A1
Application number: EP20737049.5A
Authority: EP
Inventors: Mustapha BADI; Joan LE FOLL; Martial DEGA; Vincent SCESA
Original assignee: Alstom Holdings SA
Current assignee: Alstom Holdings SA
Priority date: 2019-07-15
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2022-05-25
Also published as: WO2021009105A1; FR3098779B1; FR3098779A1

Abstract

Véhicule ferroviaire comportant un système de conduite en autonomie et procédé d'utilisation dudit véhicule ferrovaire Ce véhicule ferroviaire (1) comporte un manipulateur (6), en cabine, relié à une entrée d'une unité de contrôle/commande (8) pour l'actionnement des moyens de traction/freinage (3, 4) du véhicule ferroviaire, le manipulateur étant propre à générer un premier signal de consigne appliqué sur une entrée de l'unité de contrôle/commande, le signal de consigne correspondant à un effort de traction ou de freinage. Il se caractérise en ce que le véhicule ferroviaire comporte, pour la conduite en autonomie du véhicule ferroviaire, un système de conduite en autonomie (10), propre à générer un second signal de consigne de même nature que le premier signal de consigne pour être appliqué sur ladite entrée de l'unité de contrôle/commande.

Description

TITRE : Véhicule ferroviaire comportant un système de conduite en autonomie et procédé d’utilisation dudit véhicule ferrovaire

L’invention a pour domaine celui de la conduite en autonomie d’un véhicule ferroviaire, et plus particulièrement d’un tramway.

De manière générale, pour la conduite de véhicule (automobile, bus, train, etc.) a été définie une échelle d’autonomie de référence qui permet de qualifier le degré d’autonomie avec lequel le véhicule considéré se déplace.

Dans le présent document, le niveau d’autonomie recherché est le niveau « 4 » de cette échelle d’autonomie. Dans le niveau « 4 », l’opération d’accélération, de freinage et de direction du véhicule est gérée automatiquement, l’opération de surveillance de l’environnement dans lequel se déplace le véhicule est gérée automatiquement, et l’opération de réaction du véhicule en cas de survenue d’un problème (présence d’un obstacle) est également gérée par le véhicule. Le niveau « 4 » diffère du niveau le plus élevé, le niveau « 5 », en ce que, la conduite du véhicule en autonomie se limite à certaines portions de route prédéfinies et non pas à toutes les routes sur lesquelles serait amener à circuler le véhicule. Il est à noter que le niveau « 0 » de cette échelle d’autonomie correspond au cas où l’ensemble des opérations précédentes sont réalisées par le conducteur et le niveau « 1 », au cas où le système embarqué offre une simple assistance au conducteur du véhicule pour l’opération d’accélération, de freinage et de direction. Le niveau « 1 » correspond ainsi à l’assistance à la conduite, communément dénommée DAS pour « Driver Assistance System ».

Il est souhaitable de pouvoir équiper un tramway d’un système de conduite en autonomie, au moins sur des voies de garage du réseau sur lequel il circule. Il s’agit donc de gérer la traction et le freinage du tramway en fonction de l’environnement du tramway.

L’invention a donc pour but de résoudre ce problème.

Pour cela l’invention a pour objet un véhicule ferroviaire et un procédé d’utilisation d’un véhicule ferroviaire conformes aux revendications annexées.

Selon l’invention, si la position du tramway le long des voies permet de définir une vitesse de référence, cette dernière est modulée pour tenir compte de la présence d’un obstacle seulement s’il se trouve devant le tramway. Le système délivre ainsi une vitesse de consigne au module de régulation de la vitesse commandant les moyens de traction/freinage du tramway.

Un tel système est donc fondé sur la capacité de détecter des obstacles en avant du tramway le long de la voie. Une fois la localisation d’un obstacle effectués, le système définit la réaction à adopter, en particulier s’il faut actionner le système de freinage du tramway et dans quelle proportion.

L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d’un mode de réalisation particulier, donné uniquement à titre d’exemple non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est une représentation schématique d’un tramway équipé d’un système de conduite en autonomie selon l’invention ;

la figure 2 est une représentation fonctionnelle sous forme de blocs du système de conduite en autonomie de la figure 1 ;

les figures 3 à 5 représentent, de manière schématique, différentes zones à surveiller définies en avant du tramway en fonction de la configuration de la voie sur laquelle circule le tramway de la figure 1 ; et,

la figure 6 est une représentation schématique d’un mode de réalisation du procédé selon l’invention.

Sur la figure 1 , est représenté un véhicule ferroviaire, en particulier un tramway 1 circulant sur une voie 2.

De manière classique, pour pouvoir être conduit par un conducteur, le tramway 1 comporte une chaîne de commande des moyens de traction/freinage du tramway, qui sont représentés schématiquement sur la figure 1 par un moteur 3 et des freins 4.

La chaîne de commande comporte, en cabine, un manipulateur 6 permettant la génération de signaux de consigne. Le manipulateur 6 comporte un manche pivotant qui, lorsqu’il est déplacé vers l’avant, permet au conducteur de demander un effort en traction et, lorsqu’il est pivoté vers l’arrière, permet au conducteur de demander un effort en freinage.

Par exemple et de préférence, le manipulateur peut être déplacé vers l’avant dans une première position correspondant à une augmentation de +50% de l’effort en traction, ou une seconde position de +15% de l’effort en traction. Il peut être déplacé vers l’arrière dans une première position correspondant à une augmentation de +50% de l’effort de freinage, ou une seconde position de +15% de l’effort en freinage.

Le signal de consigne généré par le manipulateur 6 est appliqué en entrée d’une unité 8 de contrôle/commande des moyens de traction/freinage. L’unité 8 est propre à commander les moyens de traction/freinage en appliquant des signaux de commande adaptés élaborés en fonction du signal de consigne reçu. Pour pouvoir être conduit en autonomie selon le niveau « 4 » de l’échelle couramment utilisée pour la conduite de véhicule en autonomie, le tramway 1 est équipé d’un système de conduite en autonomie 10.

Le système 10 est propre à générer des signaux de consigne de même nature que ceux générés par le manipulateur 6. De la sorte, les signaux générés par le système 10 peuvent être appliqués directement sur l’entrée de l’unité 8 de contrôle/commande en substitution des signaux de consigne générés par le manipulateur 6.

Ainsi le système 10 utilise le canal existant de commande de l’unité 8 et l’unité 8 est inchangée par rapport à l’état de la technique.

Pour pouvoir passer d’un mode de conduite avec conducteur à un mode de conduite en autonomie, le tramway 1 est avantageusement équipé d’un commutateur 12 à deux états, permettant d’appliquer en entrée de l’unité 8 soit un signal de consigne provenant du manipulateur 6, soit un signal de consigne provenant du système 10.

Avantageusement, l’état du commutateur 12 est commandé par un interrupteur 14 placé en cabine. L’interrupteur 14 est actionné par le conducteur par exemple lorsque le tramway 1 quitte une voie de service du réseau pour rentrer sur une voie de garage du réseau, voie de garage sur laquelle un fonctionnement en autonomie est autorisé. L’actionnement de l’interrupteur 14 conduit au basculement du commutateur 12.

Le système 10 comporte une couche matérielle représentée sur la figure 1 .

Le système 10 comporte, en tant que moyens d’acquisition, une pluralité de capteurs connectés en entrée d’une unité de calcul 20.

Parmi les capteurs utilisés par le système de conduite en autonomie 10, le tramway est équipé d’une centrale inertielle 21 , propre à déterminer une accélération vectorielle instantanée du tramway et, par intégration temporelle, une première vitesse instantanée du tramway.

Le système utilise également des moyens tachymétriques 22, permettant de déterminer une seconde vitesse instantanée du tramway 1 et, par intégration temporelle depuis un point de référence le long de la voie, la distance parcourue par le tramway depuis ce point de référence et par conséquent une seconde position courante du tramway.

Les capteurs comportent également un capteur pour un système de localisation propre à déterminer une première position courante du tramway. De préférence, dans le mode de réalisation présenté ici en détail, le capteur du système de localisation est un LIDAR 23. Le LIDAR 23 est un LIDAR à deux dimensions présentant un angle d’ouverture élevé, par exemple de 270°, et permettant, par traitement des échos reçus, de reconstruire l’environnement du tramway et d’obtenir une cartographie reconstruite. La pluralité de capteurs comporte également, plus particulièrement pour la fonction de détection d’obstacles, un premier LIDAR 25 et un second LIDAR 26.

Le premier LIDAR 25 est un LIDAR à trois dimensions permettant l’observation d’une première région située en avant du tramway 1 .

Le second LIDAR 26 est un LIDAR à deux dimensions permettant l’observation d’une seconde région située en avant du tramway.

Le recoupement des informations délivrées par les premier et second LIDAR 25 et 26, permet à la fonction de détection d’obstacles de déterminer la position relative d’un obstacle par rapport à l’avant du tramway à l’intérieur d’une région d’observation étendue.

En se référant plus particulièrement à la figure 2, qui reprend les différents composants de la figure 1 mais sous une forme fonctionnelle, le système 10 va être présenté plus en détail, notamment l’unité de calcul 20.

L’unité de calcul 20 comporte un module 33 de localisation LIDAR propre à prendre en entrée les signaux délivrés par le LIDAR 23 et à générer en sortie une cartographie reconstruite. Cette cartographie reconstruite est appliquée en entrée d’un module 32 de localisation. L’évolution temporelle de l’environnement reconstruit permet également d’obtenir une information de vitesse du tramway, qui est passée à un module 34 d’estimation de la vitesse du tramway.

Le module 34 d’estimation de la vitesse du tramway, outre la vitesse en sortie du module 33, prend en entrée les signaux délivrés, d’une part, par la centrale inertielle 21 et, d’autre part, par les moyens tachymétriques 22.

Le module 34 a pour fonction de délivrer une estimation précise de la vitesse instantanée du tramway (V sur la figure 1 ).

Cette valeur de la vitesse délivrée en sortie du module 34 est appliquée, d’une part, à un module de régulation de la vitesse 38 et, d’autre part, au module de localisation 32.

Le module de localisation 32, outre l’estimation de la vitesse instantanée et la cartographie reconstruite, prend en entrée les informations délivrées par la centrale inertielle 21 . Le module de localisation 32 a pour fonction de délivrer une estimation précise de la position instantanée du tramway sur les voies.

Dans le mode de réalisation présenté ici en détail, le module 32 s’appuie sur une cartographie 31 de la région où le tramway 1 est autorisé à circuler en autonomie. Il s’agit par exemple d’une cartographie de la topologie du terrain (surface du sol, bâtiments, équipements implantés à demeure, etc.) sur lequel s’étendent les voies de garage du dépôt à l’intérieur duquel le tramway circule en autonomie. Le module de localisation 32 compare l’environnement reconstruit à partir des états reçus par le LIDAR 23 avec la cartographie 31 de manière à déterminer une première position courante du tramway.

Cette première position est corrigée à partir des informations délivrées par les capteurs 21 et l’intégration dans le temps de la vitesse délivrée par le module 34.

La position courante du tramway 1 est appliquée à un module 35 de gestion de mission et à un module 37 de calcul de vitesse.

Le module de gestion de mission 35 est exécuté lorsque le commutateur 12 est basculé pour permettre le mode de conduite en autonomie.

Le module 35 acquiert alors la position courante du tramway pour déterminer où le tramway se trouve sur le réseau ferroviaire. En fonction de ces informations et éventuellement d’autres informations communiquées par un centre de contrôle, une mission est attribuée au tramway 1 . Cette mission peut par exemple consister à indiquer au système 10 si le tramway 1 doit aller se garer.

Le module 37 de calcul de vitesse est propre à définir une vitesse de référence, en fonction notamment de la topologie de la voie sur laquelle circule le tramway 1 à l’instant courant. Le module 37 définit donc la vitesse de référence en fonction de la position courante du tramway et d’un plan des voies du réseau.

Par exemple cette vitesse de référence est de 10 km/h pour une portion de voie rectiligne et de 7 km/h pour une portion de voie curviligne ou une portion de voie à l’approche d’un aiguillage.

En fonction des informations délivrées par le module de détection d’obstacles 39, le module de calcul de vitesse pondère la vitesse de référence de manière à délivrer une vitesse de consigne pour le tramway 1 . En effet, si le module de détection d’obstacles détecte un obstacle devant le tramway, la vitesse de référence doit être réduite pour éviter toute collision.

La vitesse de consigne, délivrée par le module 37 est appliquée en entrée du module 38 de régulation de vitesse. Ce dernier, en comparant la vitesse de consigne avec l’estimation de la vitesse courante du tramway délivrée par le module 34, détermine un effort de traction ou de freinage adapté. Le signal de consigne correspondant, de même nature que celui généré par le manipulateur 6, est appliqué, via l’interrupteur 12, à l’unité 8 de contrôle/commande des moyens de traction/freinage du tramway.

Le module 39 est propre à acquérir les signaux délivrés par les LIDARS 25 et 26.

Le module 39 délivre, en cas de présence d’un obstacle à l’intérieur de la région observée par les LIDARS 25 et 26, la position de cet obstacle par rapport à l’avant du tramway. Le fonctionnement du système 10 en cas de détection d’un obstacle par le module 39 et, plus particulièrement, la manière dont le module 37 de calcul de la vitesse détermine une vitesse de consigne, vont maintenant être présentés en relation avec les figures 3 à 5 et le procédé de la figure 6.

En fonction de la position instantanée du tramway 1 , le module 37 détermine le type de la voie sur laquelle le tramway circule à l’instant courant. Pour ce faire, le module 37 utilise par exemple un plan de la voie. Ce dernier associe à chaque position du tramway un type de voie.

Trois types de voie sont par exemple prédéfinis. Ces trois types de voies sont respectivement représentés aux figures 3, 4 et 5.

Le premier type correspond à une section de voie rectiligne.

Le second type correspond à une section de voie en courbe.

Enfin, le troisième type correspond à une section de voie à l’approche d’un aiguillage.

D’autres types de voie peuvent être définis.

La reconnaissance du type de la voie sur laquelle circule le tramway permet au module 37 de définir la valeur d’une vitesse de référence. Par exemple, la vitesse de référence associée au premier type de voie est de 10 km/h ; au second type de 7 km/h ; et au troisième type de 7 km/h.

D’autres valeurs de vitesse de référence sont envisageables.

Par ailleurs, le module 37 définit, en avant du tramway, une zone de surveillance à l’intérieur de la région d’observation du module 39 de détection d’obstacles.

La zone de surveillance suit le tracé de la section de voie en avant du tramway. La détermination du type de la voie permet ainsi avantageusement de déterminer la géométrie de la zone de surveillance.

Cette zone de surveillance s’étend latéralement de part et d’autre de la voie de manière à correspondre sensiblement au gabarit transversal du tramway 1 .

La longueur de la zone de surveillance dépend de la vitesse courante du tramway.

La zone de surveillance permet de filtrer l’ensemble des observations délivrées par le module 39. Ne seront retenus que les obstacles dont la localisation tombe à l’intérieur de la zone de surveillance.

Ainsi les obstacles détectés pour le module 39 mais qui se trouvent à l’extérieur de la zone de surveillance n’auront aucun impact sur la conduite du tramway. Ceci permet d’éviter des freinages intempestifs dès qu’un objet est détecté dans l’environnement du tramway, alors qu’il ne présente aucun risque de collision avec ce dernier. Comme illustré sur la figure 3, la zone de surveillance Z1 pour le premier type de voie prend la forme d’un rectangle, tandis que pour le second type de voie, la zone de surveillance Z2 prend la forme d’une portion de tore. Pour le troisième type de section de voie et pour maximiser la sécurité, le système ne tient pas compte de l’état d’enclenchement de l’aiguillage. En conséquence, la zone de surveillance Z3 recouvre les deux voies sortantes de l’aiguillage.

De manière particulièrement avantageuse, la zone de surveillance est subdivisée en domaines. Par exemple trois domaines sont définis dans la zone de surveillance à chaque instant.

A l’écart du tramway est défini un premier domaine, dit de ralentissement. Puis, plus proche du tramway et en continuité avec le domaine de ralentissement, un second domaine, dit de freinage. Enfin, entre le domaine de freinage et l’extrémité avant du tramway, un troisième domaine, dit de freinage d’urgence.

Ainsi par exemple sur la figure 3, si un obstacle O est présent dans le domaine de ralentissement D13 de la zone Z1 , le module 37 calcule une vitesse de consigne de nature à conduire à une diminution de la vitesse instantanée du tramway. Ceci peut être effectué passivement en utilisant les forces de friction roue/rail pour réduire progressivement la vitesse du tramway ou encore par application d’un freinage léger.

Si un obstacle est présent dans le domaine de freinage D12, le module 37 génère une vitesse de consigne conduisant à l’arrêt du tramway à une distance minimale de sécurité devant l’obstacle. Cette distance minimale de sécurité est par exemple de 1 ,2 m.

Enfin, si un obstacle est détecté dans le domaine de freinage d’urgence D1 1 , le module 37 délivre une vitesse de consigne conduisant à un freinage d’urgence pour arrêter le tramway sur la plus courte distance possible.

De manière similaire, sur la figure 4, la zone de surveillance Z2 est subdivisée en un domaine de ralentissement D23, un domaine de freinage D23 et un domaine de freinage d’urgence D13.

Sur la figure 5, pour le cas d’une section de voie à l’approche d’un aiguillage, la zone de surveillance Z3 est subdivisée en une paire de domaines de ralentissement D33 et D33’ (chacun de ces deux domaines étant associée à l’une des deux voies sortantes de l’aiguillage), une paire de domaines de freinage D32 et D32’ (chacun de ces deux domaines étant associée à l’une des deux voies sortantes de l’aiguillage), et un domaine de freinage d’urgence D31 (commun aux deux voies sortantes de l’aiguillage).

Il est à noter que la figure 5 représente la zone de surveillance alors que le tramway rentre sur l’aiguillage, l’avant du tramway étant sensiblement à l’aplomb de l’aiguillage. Il y a en fait évolution continue de la forme de la zone de surveillance entre celle représentée sur les figures 3 et 4 et celle représentée sur la figure 5 en fonction de la distance du tramway à l'aiguillage.

A la figure 6, est illustré sous forme de blocs le procédé mis en oeuvre par le module 37 de calcul de la vitesse de consigne.

A l’étape 1 10, à partir de la position courante du tramway et d’un plan du réseau ferroviaire, le module 37 détermine le type de voie sur laquelle circule le tramway 1 .

A l’étape 120, cette information permet de définir la vitesse de référence.

A l’étape 130, une zone de surveillance est définie à l’avant du train. Avantageusement, cette zone de surveillance est définie non seulement en fonction du type de la voie sur laquelle circule le tramway, mais également en fonction de la vitesse du tramway. Par exemple, plus la vitesse du tramway est élevée, plus la longueur de la zone de surveillance est importante.

La zone de surveillance est subdivisée en trois domaines, par exemple selon des proportions prédéfinies.

Enfin, à l’étape 140, le module 37 détermine si un obstacle est détecté à l’intérieur de la zone de surveillance. Il utilise pour cela les informations de localisation d’obstacle déterminées par le module 39.

Si aucun obstacle ne se situe dans la zone de surveillance, le procédé est bouclé sur lui-même et revient à l’étape 1 10. Le procédé 100 est ainsi itéré pour chaque période d’échantillonnage.

En revanche si, à l’étape 140, un obstacle est détecté, à l’étape 150, le module 37 identifie le domaine dans lequel se situe l’obstacle.

A l’étape 160, en fonction du domaine identifié à l’étape 150, le module 37 choisit une action à réaliser parmi un ralentissement du tramway, un freinage du tramway ou encore un freinage d’urgence.

A l’étape 170, la consigne de vitesse correspondante est générée et appliquée au module de régulation de la vitesse 38.

Si l’obstacle se trouvait dans le domaine de ralentissement, à l’étape 180 le procédé est bouclé sur l’étape 140 pour déterminer l’évolution de la position de l’obstacle. Soit l’obstacle a quitté la zone de surveillance et le procédé repart à l’étape 1 10, soit l’obstacle est encore présent et les étapes 150 et suivantes sont réalisées à nouveau.

Si à l’étape 140, il avait été décidé d’un freinage ou d’un freinage d”urgence, à l’issue de l’étape 170, on attend que le tramway vienne à l’arrêt avant de réaliser l’étape 150 de vérification de savoir si l’obstacle a été écarté de la voie. Dans l’affirmative, le tramway peut redémarrer. Le procédé reboucle alors à l’étape 1 10.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Véhicule ferroviaire (1 ) comportant un manipulateur (6), en cabine, relié à une entrée d’une unité de contrôle/commande (8) pour l’actionnement des moyens de traction/freinage (3, 4) du véhicule ferroviaire, le manipulateur étant propre à générer un premier signal de consigne appliqué sur une entrée de l’unité de contrôle/commande (8), le signal de consigne correspondant à un effort de traction ou de freinage, caractérisé en ce que le véhicule ferroviaire (1 ) comporte, pour la conduite en autonomie du véhicule ferroviaire (1 ), un système de conduite en autonomie (10), propre à générer un second signal de consigne de même nature que le premier signal de consigne pour être appliqué sur ladite entrée de l’unité de contrôle/commande (8), et en ce que le système de conduite en autonomie (10) comporte des moyens de détection d’obstacles (39).

2. Véhicule ferroviaire selon la revendication 1 , comportant un commutateur (12) propre à être commandé pour basculer entre une première position d’application du premier signal de consigne sur l’entrée de l’unité de contrôle/commande (8) et une seconde position d’application du second signal de consigne sur l’entrée de l’unité de contrôle/commande (8).

3. Véhicule ferroviaire selon la revendication 2, comportant un interrupteur (14) en cabine permettant au conducteur de basculer le commutateur de la première position vers la seconde position et inversement.

4. Véhicule ferroviaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le système de conduite en autonomie (10) comporte : un premier module (34) de calcul d’une vitesse estimée du véhicule ferroviaire ; un second module (37) de calcul d’une vitesse de consigne à partir des informations délivrées par les moyens de détection d’obstacles (39) ; et un troisième module (38) de régulation de vitesse propre à comparer la vitesse de consigne avec la vitesse estimée pour déterminer un effort de traction ou de freinage adapté et générer en conséquence le second signal de consigne.

5. Véhicule ferroviaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le système de conduite en autonomie (10) est propre à définir, en avant du véhicule ferroviaire, une zone de surveillance à l’intérieur d’une région d’observation des moyens de détection d’obstacles (39).

6. Véhicule ferroviaire selon la revendication 5, dans lequel le système de conduite en autonomie (10) est propre à déterminer un type de voie sur laquelle le véhicule ferroviaire circule à l’instant courant, une géométrie de la zone de surveillance étant fonction du type de voie déterminé.

7. Véhicule ferroviaire selon la revendication 6, dans lequel la zone de surveillance est : pour un type de voie correspondant à une section de voie rectiligne ou en courbe, une surface recouvrant ladite voie ; et, pour un type de voie correspondant à un aiguillage, une surface recouvrant les deux voies qui sortent de l’aiguillage.

8. Véhicule ferroviaire selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le système de conduite en autonomie (10) est propre à subdiviser la zone de surveillance en trois domaines successifs en fonction d’une distance relative entre l’obstacle et l’avant du véhicule déterminée par les moyens de détection d’obstacles, le système de conduite en autonomie (10) générant un second signal de consigne correspondant à un ralentissement du véhicule dans un premier domaine, à un freinage pour arrêter le véhicule à une distance minimale de l’obstacle dans un second domaine, et à un freinage d’urgence pour arrêter le véhicule sur la plus courte distance possible dans un troisième domaine.

9. Véhicule ferroviaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le manipulateur (6) accède à l’unité de contrôle/commande (8) via un canal et en ce que le système de conduite en autonomie (10) utilise ledit canal pour accéder à l’unité de contrôle/commande (8), ladite unité de contrôle/commande (8) étant inchangée.

10. Véhicule ferroviaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, ledit véhicule étant un tramway.