Laboratoire Virtuel basé sur la co-simulation pour intégrer les aléas des modules de télécommunication sans fil de type GSM-R dans l’évaluation des composants ERTMS – VEGAS

L'idée clef de la méthodologie mise en œuvre dans le projet VEGAS repose sur le développement d'une approche de co-simulation qui s'appuie sur deux outils existants: un simulateur de trafic ERTMS développé par ERSA France qui simule le sous-système fonctionnel et le simulateur à évènements discrets OPNET dans lequel des modèles de système de télécommunication sans fil ont été développés. Un modèle de réseau GSM-R est dérivé du modèle OPNET de Time Division Multiple Access (TDMA). Comme le simulateur ERTMS ne peut pas être stoppé en cours d'exécution d'un scénario, le gestionnaire de co-simulation développé dans le projet VEGAS s'appuie sur le scénario en cours pour contrôler les évènements simulés par OPNET. Un module de co-simulation générique a été développé afin de transformé n'importe quel nœud du modèle de télécommunication dans OPNET en un nœud contrôlé par son modèle correspondant dans le simulateur ERTMS. le protocole de co-simulation détermine les conditions qui permettent une co-simulation «on-line« et le gestionnaire de la co-simulation est capable de les vérifier pendant la simulation. Quand la co-simulation «on-line« n'est pas possible, le protocole définit comment les évènements peuvent être sauvegardé pour une co-simulation «off-line«. En outre, la co-simulation «off-line« est aussi en mesure d'utiliser les traces réelles des échanges de messages ERTMS enregistrées dans un scenario réel au lieu de celles générées par un scenario fonctionnel simulé. Le projet VEGAS était un projet de recherche coordonné par M. Berbineau de l'IFSTTAR. Les partenaires sont ERSA et ULCO. Le projet a démarré le 01/10/2012 et s'est terminé le 31/05/2016. La subvention ANR était de 423 421 € pour un coût total de 1 397 732.32 €.

La production scientifique dans le projet: une revue internationale à comité de lecture, un chapitre de livre, deux conférences internationales à comité de lecture et actes. La plate-forme de co-simulation développée sera utilisée et modifiée dans le projet européen X2RAIL-1 dans le cadre de la JU Shift2rail, dans le WP qui traite du «Virtual Testing«. Nous utiliserons aussi la plate-forme de co-simulation dans le projet H2020 Safe4rail également dans le contexte de Shift2rail pour le programme d'Innovation 1. Dans ce projet l'Ifstta coopèreré avec un laboratoire de DTU (Danemark). l'ojectif sera aussi de connecter des éléments réels à la plate-forme.

Les nouvelles recherches à mener portent sur plusieurs points. (i) augmenter le nombre de trains dans les scenarios. Cet aspect dépend éssentiellement du simulateur ERSA. (ii) améliorer la modélisation du système de télécommunication et surtout la modélisation de la partie modèle de propagation et prise en compte des aléas extérieurs tels que les interférences volontaires ou non.

Le projet a été valorisé grâce à des publications en conférences et des articles de journaux. La plate-forme de co-simulation développée dans le projet VEGAS ouvre la voie pour le développement de différentes approches de co-simulation qui favorisent le développement de laboratoirs virtuels.

Afin d'harmoniser les différents systèmes de contrôle des trains déployés en Europe et d'optimiser l'efficacité du trafic, l'Union internationale des chemins de fer a piloté le développement du système European Rail Traffic Management (ERTMS). Il s'appuie sur deux composants principaux: le sous-système de GSM-R qui assure les communications sans fil entre le train et le centre de contrôle et le sous-système fonctionnel identifié comme l’European Train Control System (ETCS) qui assure le contrôle des trains. Le déploiement de l'ERTMS est déjà obligatoire, mais ce processus est long et coûteux. Entretemps, les deux sous-systèmes peuvent évoluer. L'impact de ces évolutions doit être évalué avant leur mise en œuvre. Ainsi, il est nécessaire de disposer de moyens plus rapides et moins coûteux permettant la certification et la mise en service des équipements. Une des solutions pour accélérer le processus repose sur une utilisation intensive de laboratoires virtuels avant le déploiement réel. Dans les simulateurs ERTMS existants, toutes les fonctionnalités principales d’ETCS sont mises en œuvre, mais le sous-système de télécommunication n'est pas réellement modélisé. En conséquence, aucune perturbation sur la technologie de communication ne peut être prise en compte durant les évaluations.

Dans ce contexte, le projet VEGAS vise à concevoir, développer et évaluer un laboratoire virtuel basé sur la co-simulation impliquant deux types de simulateurs. Le premier est un simulateur ERTMS qui modélise le comportement fonctionnel du système. Le second est un simulateur de télécommunications qui permet la modélisation de n’importe quelle technologie des télécommunications de la couche physique à la couche application. La co-simulation permet une évaluation du sous-système fonctionnel qui prendra en compte, grâce aux développements menés dans e projet, les aléas liés au sous-système de télécommunications (la charge du réseau, les coupures, les interférences ou attaques électromagnétiques).
Le laboratoire virtuel VEGAS permettra l’étude approfondie du comportement des composants ERTMS en cas de dysfonctionnements spécifiques ou en cas d'augmentation du trafic sur le sous-système de télécommunications. Avec les résultats obtenus, les acteurs du secteur ferroviaire et les chercheurs seront en mesure d'élaborer des procédures spécifiques afin de réduire l'impact de ces dysfonctionnements sur les lignes équipées de l’ERTMS. L’Industrie ferroviaire bénéficiera d'un outil permettant d’évaluer l'impact du fonctionnement des infrastructures de télécommunications sur les performances de l’ERTMS. Le laboratoire virtuel permettra de définir un plus large éventail de scénarios réalistes avec des coûts très réduits selon un processus accéléré. Lorsque plusieurs technologies seront considérées pour un composant ERTMS, le laboratoire virtuel permettra de décider quels sont les plus pertinents qui doivent être retenus pour des évaluations sur site réel.

La construction du laboratoire virtuel VEGAS, nécessite d’abord une phase de définition des concepts et mécanismes pour la co-simulation ainsi que l’élaboration d'un protocole de co-simulation. Il permettra de déterminer comment les données spécifiques doivent être générées par chaque simulateur, et comment elles seront échangées entre les simulateurs. Cette étape permettra le développement des outils nécessaires à l’ouverture du simulateur ERTMS vers d’autres simulateurs. Après les phases d’implémentation des réseaux de télécommunications de type GSM-R incluant la couche Euroradio, il conviendra de définir et de générer automatiquement les scenarios de tests et de définir les métriques adaptées. Les différents modules de VEGAS seront évalués à l’aide de trace réelle ERTMS. En outre, l’évolution vers des technologies émergentes de télécommunications telles que le LTE-Advanced sera possible. En fin de projet, les étapes pour l’évolution du laboratoire virtuel VEGAS afin d'évaluer le niveau ERTMS 3 seront définies.