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Logique Floue



Le pilotage automatique

Le degré de sophistication insoupçonné du Métro

En prenant le métro, il arrive parfois que le train ne semble pas vouloir quitter la station où il se trouve en dépit du fait que les portes se sont refermées depuis plusieurs secondes, voire plusieurs minutes. Le réflexe de plusieurs passagers en de telles occasions est de se demander si l'opérateur ne s'est pas soudainement endormi aux commandes. Avant de marteler la porte de sa cabine pour le réveiller, dites-vous qu'il est probablement aussi éveillé que vous, mais qu'il est soumis aux caprices d'un système qui d'ordinaire lui rend la tâche beaucoup plus facile : le pilotage automatique.

Avant-propos : la conduite manuelle

Bras manipulateur Fig. 1 : Bras manipulateur d'un MR-73

Entre l'ouverture du métro de Montréal le 14 octobre 1966 et l'implantation de la conduite automatisée sur la ligne 1 – Verte le 8 novembre 1976 [1] puis sur la ligne 2 – Orange et sur la 5 – Bleue au moment de sa construction, les opérateurs étaient contraints à conduire leur train eux-mêmes au moyen d'un tableau de bord élaboré.

Pour parvenir à opérer le train en toute sécurité, sa mise en marche et son freinage se commandaient exclusivement au moyen d'un bras mécanique, appelé le manipulateur. Ce bras, muni d'une pastille montée sur ressort que l'on doit tenir enfoncée, provoque un freinage d'urgence en cas de malaise de la part de l'opérateur, ce qui stoppe très rapidement le train [2].

La conduite manuelle, qui fonctionne très bien sur les réseaux ferroviaires classiques, semblait donc tout aussi adaptée pour le métro. Cependant, contrairement aux trains réguliers, l'intervalle de passage entre deux rames de métro doit être très court en période d'achalandage élevé, ce qui se traduit par une marge de manoeuvre réduite [3]. En effet, pour assurer un service efficace, l'intervalle entre deux trains consécutifs doit être d'un peu plus de 2 minutes à l'heure de pointe sur les lignes à fort achalandage [4].

Afin d'éliminer le plus possible le facteur humain dans les causes de retard et assurer un service plus ponctuel, le BTM envisage donc l'implantation d'un pilotage automatique dans les trains [5]. De plus, le 9 décembre 1971, une grave collision coûte la vie à un opérateur, Gaston Maccarone, et détruit vingt-sept wagons de métro (l'équivalent de trois rames complètes) [6]. La collision, causée par une erreur humaine qui s'est avérée malheureusement fatale, est une raison de plus pour augmenter le niveau de sécurité des passagers en remettant la conduite à un système électronique sophistiqué : le pilotage automatique.

Anatomie d'un trajet en mode automatique

Indicateur de vitesse d'un MR-73 Fig. 2 : Indicateur de vitesse d'un MR-73

Le départ

Le train est en station, les portes sont ouvertes et les passagers finissent de prendre place à bord. Par la suite, l'opérateur s'assure qu'aucun autre passager n'est à proximité du train au moyen d'un miroir judicieusement placé sur le mur tympan de la station, puis il appuie sur le bouton de fermeture des portes. Des capteurs s'assurent que chacune des 72 portes doubles de la rame sont bel et bien fermées et empêchent tout démarrage dans le cas contraire. Il arrive en effet que certains passagers retiennent une porte afin de permettre aux retardataires de pouvoir embarquer, ce qui cause évidemment un ralentissement de service sur toute la ligne parce que le train affecté ne peut pas continuer son trajet [7].

Le démarrage

Une fois les portes fermées, l'opérateur appuie sur le bouton de démarrage en mode automatique. À cette étape, l'ordinateur de bord prend la relève. Si l'interstation est occupée, c'est-à-dire que la portion du tunnel comprise entre la station que doit quitter le train et la prochaine contient un autre train dans la même direction, le départ est retardé jusqu'à ce que le tunnel soit complètement libre. Quand le départ est autorisé, le pilote automatique fait accélérer le train à la vitesse prescrite par le système de contrôle central pour ce tronçon de voie.

La marche sur l'erre

À l'approche de la station suivante, les moteurs de traction sont déconnectés de l'alimentation électrique et le train poursuit son trajet en étant entraîné par sa propre inertie. Quelques secondes plus tard, le système de freinage entre en fonction et décélère progressivement la rame.

L'entrée en station

Lors de l'entrée en station, trois balises placées à des positions précises tout au long du quai détectent la position du train et l'ordinateur de bord ajuste la puissance du freinage afin que le wagon de tête s'immobilise précisément à la fin du quai, à cinq centimètres près. Les portes s'ouvrent de manière automatique quand les paramètres d'immobilisation sont remplis (vitesse inférieure à 5 km/h, train complètement entré dans la station) [8] et le cycle recommence !

Analysons maintenant l'interaction entre l'électronique embarquée dans le train et l'équipement centralisé de commande, qui permet le bon déroulement d'un tel trajet.

La détection des trains

Feu permissif vert Fig. 3 : Feu permissif vert : départ autorisé

La voie du métro de Montréal est composée de deux rails classiques d'écartement standard (1.435 m), de deux pistes de roulement en béton destinée aux pneus des wagons et de deux barres latérales appelées barres de guidage, qui guident le train au moyen de roues disposées à l'horizontale et qui fournissent l'alimentation électrique à une tension de 750 volts CC [9]. Les rails conventionnels sont utilisés pour soutenir le train en cas de crevaison des pneus et sont électriquement neutres par rapport aux barres de guidage, ce qui leur confère aussi le rôle de pôle négatif de l'alimentation électrique.

Afin de détecter si un train se situe dans une section de voie, appelée canton dans le jargon ferroviaire, un système électronique de précision mesure la résistance entre les deux rails métalliques[10]. Quand le canton est vide, la résistance correspond au double de la résistance du rail et des câbles jusqu'au point où les deux rails sont électriquement mis en commun. Lorsqu'un train se situe dans le canton, ses frotteurs négatifs, chargés d'assurer le retour du courant électrique, court-circuitent les deux rails ensemble et la résistance chute en deçà d'un ohm [11]. Le détecteur enregistre cette baisse et envoie un signal au système centralisé de commande pour indiquer la présence d'un train.

Pour des raisons de sécurité, un train ne peut pas quitter sa station tant que l'interstation suivante n'est pas libre. Afin de signaler à l'opérateur l'état du tunnel qui se trouve devant lui, un groupe d'indicateurs lumineux appelés feux permissifs s'allument pour indiquer si le départ peut s'effectuer ou non. Si le feu permissif en forme de carré vide vert est allumé, l'interstation est vide et le train peut démarrer. À l'opposé, un feu en forme de carré vert plein indique que le départ n'est pas autorisé parce qu'un train est encore dans le tunnel. Cependant, le centre de contrôle peut demander à un opérateur de quitter la station en conduite manuelle malgré tout et la vitesse maximale du train est alors limitée à 40 km/h [12].

En cas d'incident, un groupe de trois feux blancs de forme ronde disposés en triangle se mettent à clignoter. Ceux-ci indiquent un départ sur ordre (D.S.O.), ce qui signifie que le train ne peut pas partir du tout tant que ce signal n'est pas levé. Lorsque le réseau d'Hydro-Québec (distributeur québécois d'électricité) est touché par une panne et que l'alimentation de traction du métro s'apprête à être interrompue, tous les feux permissifs du réseau passent ainsi en D.S.O. afin d'empêcher les trains d'être immobilisés en plein tunnel, ce qui demanderait une évacuation difficile des passagers [13]. Cette mesure est rendue possible en vertu d'une entente entre la STM et Hydro-Québec, qui stipule que l'alimentation du métro doit être maintenue en priorité par rapport à celle des autres abonnés. Une telle mesure est également mise en place pour assurer l'approvisionnement en électricité des hôpitaux, des usines de traitement des eaux et des usines dont les procédés industriels sont jugés critiques.

Les consignes de vitesse

Connexions inductives Fig. 4 : Les connexions inductives à Montmorency

Pour transmettre la limite de vitesse, ou consigne, au train, on superpose un signal électrique alternatif de faible amplitude à la tension de référence (0 Volt) des rails métalliques[14]. L'équipement de pilotage automatique embarqué dans le train détecte cette fluctuation et en décode la consigne pour ce tronçon de voie. Dans le cas du métro de Montréal, 8 valeurs distinctes de consigne ont été retenues : 0 km/h (arrêt complet), 24 km/h, 32 km/h, 40 km/h, 56 km/h et 72 km/h pour la marche normale, 24 km/h (24S) pour les manoeuvres de départ et la marche sur l'erre (la commande manuelle du train est alors désactivée) et 16 km/h pour le déplacement dans les voies de garage [15]. Un mode lent de 5 km/h est aussi utilisé pour l'accouplement et le désaccouplement des wagons.

Lorsque l'opérateur doit reprendre le contrôle du train suite à une avarie ou en coordination avec le centre de contrôle, la vitesse est alors limitée à 40 km/h (mode marche à vue) [16].

Comme le métro date de plus de quarante ans, avant même que le Canada ne passe au système métrique, les consignes de vitesse ci-dessus sont évidemment encore exprimées en milles à l'heure sur les compteurs de vitesse des trains. Ainsi, les valeurs de consigne sont respectivement de 0, 10, 15, 20, 25, 35, et 45 milles à l'heure, comme en fait foi la photographie du compteur de vitesse d'un MR-73 de la fig. 2.

Pour circonscrire la consigne dans le seul canton auquel elle est destinée, les rails sont séparés par des isolateurs à la fin de chaque canton. Pour assurer le retour de l'énergie de traction au réseau de distribution tout en bloquant le signal de consigne, deux câbles de fort diamètre relient les deux segments du rail à une boîte jaune contenant une inductance (bobine). Son rôle est d'empêcher le passage du signal alternatif chargé de transmettre la consigne tout en laissant le courant de traction poursuivre son chemin vers le poste de distribution électrique sans être affecté [17]. Cet appareillage est appelé une connexion inductive.

La marche sur l'erre

Afin de régulariser l'horaire des trains, le métro de Montréal utilise un système de contrôle qui planifie, dès la sortie du terminus, le moment précis où chaque rame atteindra les différentes stations de la ligne [18].

Lorsqu'un train est en avance ou en retard sur son horaire, le système de contrôle ajuste la durée de la marche sur l'erre, c'est à dire le temps entre l'arrêt des moteurs de traction et l'application du freinage, afin de l'accélérer ou le ralentir [19]. Pendant ce temps, le train est mû uniquement par sa propre inertie et décélère progressivement jusqu'à ce que les freins prennent le relais.

En temps normal, la durée de la marche sur l'erre est de trois secondes. Afin de ralentir un train qui devance systématiquement son heure d'arrivée prévue, le système de contrôle impose une marche sur l'erre de cinq secondes jusqu'à ce que le train respecte de nouveau son horaire. En cas de retard, la marche sur l'erre ne dure qu'une seconde ou, dans les cas extrêmes, n'a pas lieu du tout. Dans ce cas, l'application du freinage se fait au moment précis où les moteurs de traction sont déconnectés; on parle alors de marche tendue [20].

Le freinage

Balise de freinage Fig. 5 : Balise de freinage

Afin de s'assurer que tous les trains s'arrêtent à la même place en station, de trois à sept balises sont disposées sur le radier et indiquent au système de pilotage automatique la position du wagon de tête. De cette manière, il est possible de comparer la vitesse réelle du train à sa vitesse prévue en cet endroit précis et modifier la puissance de freinage en conséquence.

La première de ces balises est positionnée à l'entrée de la station. Au départ de chaque terminus, un compte-essieux automatique détermine la longueur du train sortant et le système de contrôle central active les balises appropriées à chacune des stations pour que le train s'immobilise à l'endroit prévu. En fonction de l'architecture de la station, la position d'arrêt du train peut être en amont (à l'entrée), au milieu ou en aval (à la fin) [21]. Il est à noter que la position d'arrêt d'une rame complète de neuf wagons est toujours en aval, parce que le train a alors la même longueur que le quai !

En fonction de la position d'arrêt prévue pour la station, la dernière balise active se situe à une distance équivalente à 12 tours de roue de l'emplacement que devra avoir le train une fois immobilisé. Au moment où le train capte le signal de la balise, un odomètre embarqué dans le train est recalé à zéro et compte à rebours jusqu'à l'arrêt complet.

Sources

© Simon Turcotte-Langevin, 2017

Licence CC BY-NC

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