Brevet FR2572043A1 — publié le 19860425

Procédé et dispositif de transmission de données entre véhicules en déplacement sur une voie L'invention concerne la transmission de données, sans support matériel, entre véhicules assujettis à se déplacer sur une même voie, notamment en vue de la dé- tection de la position relative de deux véhicules suc- cessifs et de la transmission des informations néces- saires à la commande automatique de l'un des véhicules. L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les installa- tions de transport en commun mettant en oeuvre des véhicules de capacité relativement faible (dix ou vingt places par exemple), pouvant être accouplés par des moyens commandés électroniquement, de façon que les véhicules puissent être séparés lors du passage sur un aiguillage divergent, puis regroupés suivant une dispo- sition différente. La transmission d'informations à cadence élevée dans un environnement ferroviaire présente des problèmes difficiles à résoudre. Le taux de défauts de transmis- sion (erreur non détectée ou absence de transmission) doit être très faible pour être compatible avec les impératifs de la sécurité. L'utilisation de supports matériels disponibles, tels que les conducteurs de transmission utilisables (caténaires, relais par des lignes de transmission au sol) de puissance, ne permet pas d'atteindre des cadences de transmission d'infor- mation suffisantes pour les installations à commande automatique, à séparation et regroupement automatiques de véhicules. L'utilisation de voies de transmission sans support matériel semble à première vue à exclure, du fait du caractère très variable de l'environnement et des risques de réflexion, notamment sur les parois dans les tronçons en tranchées ou en tunnels et sur les véhi- cules en déplacement sur une voie parallèle. Effectivement, l'utilisation des ultrasons, qui ont l'avantage d'être très directifs, s'est montrée inappropriée. Celle des ondes hertziennes, dans le do- maine hyperfréquence, semble également à rejeter du fait des risques de réflexion sur des obstacles fixes ou mo- biles et du risque de collision, au niveau du récepteur. entre messages effectivement destinés à ce récepteur et messages d'autres origines. L'invention vise à fournir un procédé et un dis- positif de transmission par voie hyperfréquence, répon- dant mieux que ceux antérieurement utilisés aux exi- gences de la pratique, notamment en ce que le risque de défaillance de la liaison est considérablement réduit. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de transmission de données sans support matériel entre véhicules assujettis à se déplacer sur une voie en environnement ferroviaire, notamment en vue de la détec- tion de la position relative de deux véhicules succes- sifs en déplacement, caractérisé en ce qu'on émet les messages à transmettre, à partir de chaque véhicule en circulation, sous forme d'émissions répétées, brèves, et à des instants aléatoires, par modulation d'un faisceau hyperfréquence directif dont le développement angulaire est suffisant dans le sens horizontal pour maintenir la communication dans les courbes et les aiguillages et dans le sens vertical pour maintenir la communication lors des changements de profil de la voie. Le message est avantageusement répété m fois successives au cours d'une période de rafraîchissement T, chaque fois à un instant aléatoire à l'intérieur d'un segment particulier, de durée T/m, m étant habituelle- ment compris entre 5 et 40. Chaque message étant très bref, typiquement d'une durée inférieure d'un ordre de grandeur à T/m, la probabilité de perte d'un message par suite de collisions entre messages est très réduite. Il peut être prévu d'émettre les messages à une puissance variable suivant les conditions rencontrées, par exemple en prévoyant une puissance nominale et une puissance réduite. La puissance nominale n'est mise en oeuvre que dans les conditions o une sécurité élevée de transmission est requise et dans celles o l'affaiblis- sement est important. L'invention propose également un dispositif de transmission de données permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini. Le dispositif comporte, sur chaque véhicule, un ensemble d'émission et un ensemble de réception reliés par des interfaces respectifs à des moyens de traitement de données, constitués généralement par un ou plusieurs microprocesseurs. L'ensemble d'émis- sion comporte un coupleur de codage et de formatage des données reçues à partir des moyens de traitement de données et des moyens pour émettre les données plusieurs fois consécutives au cours d'une méme période de rafral- chissement, à des instants aléatoires. L'ensemble de: réception comporte de son côté un coupleur de réception ayant pour charge de valider le message reçu avant de le transmettre vers les moyens de traitement de données. Les moyens de traitement de données peuvent com- porter deux microprocesseurs dont l'un est affecté aux données fonctionnelles, l'autre aux données de sécurité. Ces dernières seront avantageusement transmises avec un codage d'accroissement de la redondance et de détection des erreurs. Pour limiter les risques de perte de message, l'ensemble de réception comporte de préférence plusieurs antennes disposées à des emplacements différents à l'avant du véhicule. On utilisera typiquement deux an- tennes dont la distance est au moins égale à dix fois la longueur d'onde d'émission dans l'air. A chaque antenne, constituée généralement par un cornet, est associée une chaine d'amplification à transposition de fréquence. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier d'exécution donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - les Figures 1A et 18 montrent, respectivement depuis l'avant et en élévation, un véhicule d'installa- tion de transport à laquelle est applicable l'invention; - les Figures 2A, 2B et 2C sont des schémas des- tinés à faire apparaître des opérations réalisables de façon automatique sur le réseau d'une installation met- tant en oeuvre l'invention; - la Figure 3 est un synoptique de principe d'un dispositif suivant l'invention; - la Figure 4 est un diagramme temporel destiné à montrer la répartition dans le temps des émissions du dispositif de la Figure 3; - les Figures 5 et 6 sont des synoptiques mon- trant respectivement un récepteur et un coupleur de réception utilisables dans le dispositif de la Figure 3. Il peut être utile, avant de décrire un mode particulier de réalisation de l'invention, de donner des indications sur une installation de transport en commun à laquelle elle est susceptible de s'appliquer. L'installation peut notamment comporter des unités- élémentaires de transport regroupables en rames et munies à cet effet d'un accouplement à commande élec- tronique. L'unité élémentaire peut être constituée par un véhicule isolé, tel que celui montré en Figures 1A et 18, ou un doublet constitué de deux véhicules reliés par un attelage mécanique. Chaque véhicule a par exemple une capacité de dix places. L'installation comporte un réseau de voies fixes munies d'aiguillages et de dispositifs de localisation des véhicules. Elle est prévue pour permettre les opéra- tions dont des versions simples sont représentées sur les Figures 2A, 2B et 2C dans le cas particulier o des véhicules partant de stations C et D doivent desservir des stations A et 8. Les Figures 2A et 28 montrent le rendez-vous de deux rames issues de deux branches convergentes 10c et d pour ne former qu'une seule rame sur un tronc commun 10. Les Figures 2B et 2C montrent la séparation des véhicules lors du passage sur un aiguillage divergent 12 puis le regroupement des véhicules en groupes de même destination sur des branches 10a et 10b. Les véhicules sont identifiés sur les trois figures par l'assemblage des lettres identifiant la station de départ et la sta- tion d'arrivée. On voit que ce principe permet d'adapter la lon- gueur de la rame à la demande de transport et d'exploi- ter un réseau maillé sans rupture de charge pour l'usa- ger et de conserver une cadence de passages élevée, même aux heures creuses, les rames comportant simplement un nombre réduit de véhicules. A titre d'exemple, on peut envisager une instal- lation dans laquelle l'intervalle entre rames peut des- cendre jusqu'à 35 secondes, avec un temps d'arrêt de 15 secondes, la vitesse maximale étant de 60 km/h et la vitesse de regroupement et de rendez-vous pouvant aller de 14 à 33 km/h suivant la configuration de la voie. Avec des véhicules courts, ayant une capacité de dix personnes, on peut accepter des rayons de courbure en aiguillage très faibles, en réduisant la vitesse lors du passage sur ces aiguillages. Le dispositif qui sera maintenant décrit est destiné notamment à permettre la détection d'un véhicule qui sera ultérieurement qualifié de "véhicule cible", par un véhicule qui le suit, qu'on appellera "le véhi- cule suiveur", à distance suffisamment importante pour assurer la sécurité. Le dispositif comporte, sur chaque véhicule 14 (Figures 1A et lB), un ensemble d'émission vers l'ar- rière et un ensemble de réception des émissions prove- nant du véhicule cible. La transmission s'effectue en hyperfréquence, à une fréquence supérieure à 300 MHz et qui sera généralement de l'ordre de grandeur du GHz. La liaison sera avantageusement du type asynchrone avec un protocole de haut niveau, tel que le protocole HDLC. Des zéros sont automatiquement insérés pour éviter la pré- sence d'un nombre de "un" consécutifs excessif. Le codage est avantageusement binaire, de type NRZ. Parmi les codages NRZ, on peut notamment utiliser le codage NRZI, suivant lequel l'émission change d'état lorsque le bit à transmettre est à zéro tandis qu'on ne change pas d'état lorsque le bit à transmettre est à un. Le proto- cole HDLC et l'encodage NRZI en combinaison permettent une récupération aisée de l'horloge. Les informations transmises peuvent notamment comporter un numéro identifiant le tronçon de voie sur lequel se trouve le véhicule, un numéro d'identification du véhicule, une indication de position du véhicule, une indication de vitesse du véhicule, le nombre de véhicu- les contenus dans la rame. L'ensemble de ces informa- tions, dites de sécurité, sont transmises après un co- dage assurant le niveau de sécurité requis. Des informa- tions complémentaires, qui ne nécessitent pas le même niveau de sécurité, peuvent également être envoyées. L'ensemble de réception est prévu pour effectuer notamment les opérations suivantes sur les informations reçues du véhicule cible: - comparaison du numéro du véhicule cible avec un numéro de consigne, transmis par la voie lorsque le véhicule suiveur entre sur le segment occupé par le vé- hicule cible, - calcul de la distance entre le véhicule sui- veur et le véhicule cible et de la vitesse relative de rapprochement. Chaque véhicule 14 comportera en consequence un ensemble d'émission et un ensemble de réception (Figure 3) reliés l'un et l'autre à un microprocesseur "fonc- tionnel" 16 qui traite les informations reçues pour déterminer la loi de pilotage à appliquer lors d'un re- groupement ou d'un rendez-vous et fournit à l'ensemble émetteur les informations à transmettre autres que celles concernant la sécurité. Les ensembles émetteur et récepteur sont également reliés à un microprocesseur "sécuritaire" 18 qui traite les informations reçues pour surveiller le regroupement ou le rendez-vous aussi bien que la marche en rame et qui fournit à l'émetteur celles des informations à transmettre qui concernent la sécuri- té et sont codées de façon à assurer la redondance re- quise. L'ensemble émetteur peut être regardé comme com- prenant une antenne 20. qui sera généralement un cornet, une source hyperfréquence 22 et un coupleur d'émission 24 relié à un bus 26 de liaison avec les microproces- seurs par un interface non représenté. Le lobe fourni par le cornet 20 a une largeur qui constitue un compromis entre deux exigences contra- dictoires. Ce lobe doit être suffisamment large pour que la visibilité soit assurée dans toutes les positions relatives que peuvent prendre le véhicule cible et le véhicule suiveur, en dépit des mouvements du véhicule (lacet et tangage) et de la structure de voie, qui présente des virages et des ruptures de pente. Hais le lobe doit être suffisamment mince pour qu'un véhicule roulant sur une autre voie que les véhicules entre lesquels doit être établie la communication, dans le même sens ou en sens inverse, ne perturbe pas le faisceau hyperfréquence sur toute la portée utile; de plus, le faisceau doit être suffisamment mince pour que les échos sur les parois soient tolérables. Cette dernière condition conduira généralement à placer le cornet 20 suivant l'axe vertical de symétrie, à une hauteur de l'ordre de 1,25 m pour les gabarits habituels. La largeur angulaire du lobe dans le sens verti- cal dépendra naturellement du profil accepté pour la voie et de l'amplitude de tangage maximum. Dans la pra- tique, une largeur anguiaire de 20' sera généralement satisfaisante. Dans le sens horizontal, les critères à prendre en considération pour déterminer la valeur minimale seront l'amplitude maximale de lacet du véhicule, le rayon de courbure minimum de la voie et la nécessité de visibilité en aiguillage. Le choix sera fait en fonction de chaque installation particulière. Pour améliorer la réception, l'ensemble récep- teur comporte avantageusement deux voies, ayant chacune une antenne 28 et un récepteur 30. La présence de deux antennes permet de réaliser une diversité de positions de réception. Les antennes 28 peuvent notamment être situées de part et d'autre du plan vertical de symétrie du véhicule 14 et à des hauteurs différentes (Figure lA). Les deux chaines sont reliées à un même coupleur hyperfréquence 32 comportant un organe d'entrée qui, soit sélectionne la voie la plus favorable, soit effec- tue la sommation des deux voies, L'ensemble émetteur est avantageusement prévu pour pouvoir fonctionner à plusieurs-niveaux de puis- sance, par exemple à puissance nulle (extinction de l'émetteur), à puissance réduite et à puissance nomi- nale. Le niveau de puissance sera déterminé par un ordre élaboré localement en fonction des indications reçues de la voie ou d'autres éléments de détection. Les para- mètres pris en considération peuvent notamment être les suivants: présence ou non dans une zone de regroupement, - réception ou non d'une télécommande de regrou- pement avec le véhicule cible, - détection ou non (par exemple par une liaison ultrasonore entre véhicules) de la présence d'un véhi- cule suiveur, - reconnaissance de la présence ou non dans une zone d'aiguillage divergent, - réception ou non d'une télécommande d'activa- tion. La configuration à puissance nominale peut no- tamment être réalisée dans les conditions suivantes: 1. Regroupement entre véhicules, identifié par la reconnaissance d'une zone de regroupement et la ré- ception de la télécommande de regroupement. 2. Passage dans une zone d'aiguillage divergent avec possibilité de séparation des véhicules sur les deux branches de l'aiguillage, identifiée par la détec- tion d'une présence arrière et la reconnaissance d'une zone d'aiguillage divergent (la configuration à puis- sance nominale rendant plus aisée le passage d'un divergent grâce à la suppression de zones aveugles). 3. Mode dégradé de fonctionnement en cas de dis- location d'une rame et de reconfiguration automatique, la transmission à puissance nominale étant provoquée par télécommande. La configuration à puissance réduite sera choi- sie à l'issue d'un regroupement nominal (commutation de puissance nominale à puissance réduite) ou après prépa- ration de l'élément au garage (commutation de puissance nulle à puissance réduite). De façon générale, le choix entre les niveaux de la puissance (nominale ou réduite) sera fait en tenant compte de deux paramètres, portée recherchée et courbure de la voie. L'ensemble émetteur et l'ensemble récepteur peuvent être constitués de composants classiques, mais 1 0 dont la mise en oeuvre est réalisée selon un procédé qui réduit le risque et les conséquences de collisions entre messages. On peut notamment adopter une liaison à 9,9 GHz avec modulation d'amplitude en tout en rien à une ca- dence pouvant aller de 20 Kbits par seconde à 2 Mbits par seconde. Le coupleur hyperfréquence d'émission 24, relié par un interface au bus 26 des microprocesseurs 16 et 18, a pour fonction d'encoder et de formater les données reçues des microprocesseurs sous forme codée en NRZ, puis de cadencer l'envoi du paquet d'éléments binaires vers l'émetteur 22 suivant un algorithme tel que l'émis- sion se fasse à cadence élevée (typiquement 1 Mbit par seconde), de façon répétitive et aléatoire. L'encodage peut notamment consister à faire passer le message du code NRZ au code NRZI. Le formatage peut notamment utiliser le protocole de transmission HDLC, ce qui implique l'insertion automatique de zéros. L'association de l'encodage NRZI et de l'utilisation du protocole HDLC se traduit par la présence d'une transi- tion chaque fois que l'élément binaire (bit) à trans- mettre est à zéro et après cinq "un" consécutifs. Dans le cas de la transmission de messages d'au moins 140 bits, y compris les bits de codage associés aux informations de sécurité, le message à transmettre peut présenter le format suivant: - un fanion de tête, permettant d'effectuer la synchronisation d' horloge, - le message proprement dit, de longueur indé- terminée, - une séquence de contrôle de trame, permettant la détection d'erreurs, occupant deux octets, - un fanion de fin, occupant un octet. On peut naturellement, au lieu d'utiliser une liaison asynchrone avec le protocole HDLC, adopter une transmission en synchrone biphasé avec répétition de motifs de récupération d'horloge. Conformément à l'invention, l'émission d'un même message (occupant au maximum 190 bits dans le cas envi- sagé ici) est répétée plusieurs fois au cours d'une même période de rafraichissement. Cette période dépendra des performances visées, notamment celles concernant la vi- tesse de regroupement. Dans une installation de trans- port en commun à cadence importante, elle pourra aller de quelques millisecondes à quelques dizaines de milli- secondes. Comme le montre la Figure 4, la période de rafraichissement T est divisée en m segments de même durée T/m. Chacun des messages à transmettre, indiqué en 34, doit avoir une durée brève par rapport à chaque seg- ment T/m. On donne à chaque message une position dans le segment qui est aléatoire. En adoptant une cadence de transmission supérieure ou égale à 1Mbit par seconde, on arrive aisément à des valeurs de mp dépassant 100 avec une période de rafraichissement de 20 millisecondes, ce qui réduit la probabilité de collisions à une valeur très faible, même dans le cas d'un grand nombre _ de vé- hicules perturbateurs puissance de leur émetteur, peuvent influencer le récep- teur qui reçoit le message). Le calcul permet, dans chaque cas particulier, d'optimiser le nombre m de segments dans la période de rafraichissement, notamment en fonction de la cadence de transmission, de la longueur des messages et du nombre de véhicules perturbateurs. En règle générale, M sera compris entre 5 et 40. Le coupleur hyperfréquence d'émission aura une constitution classique; il pourra comporter-un micro- processeur (INTEL 8044 par exemple) associé à une mé- moire de stockage de l'ensemble du message à transmettre et d'une mémoire contenant le programme de formatage et d'encodage ainsi que l'algorithme sous forme lisible par le microprocesseur. Ce coupleur sera relié au bus d'émission par un interface constitué par un registre d'échange de données, un registre de commande écrit par le microprocesseur du coupleur, un registre d'état lu par le microprocesseur et un registre d'informations. L'émetteur hyperfréquence 22 comporte une source et un modulateur d'amplitude qui reçoit le message à émettre depuis le coupleur 24 sous forme d'un signal NRZ. L'ensemble récepteur du véhicule comporte, pour chaque antenne de réception, une chaine complète 36 dont une seule est représentée sur la Figure 5. Chaque chaine reçoit le signal recueilli par l'antenne. après transpo- sition de fréquences par battement avec une porteuse fournie par un oscillateur local 38. Le signal à fré- quence transposée, à 70 MHz par exemple, est appliqué à un préamplificateur 40 à faible bruit, suivi d'un ampli- -ficateur 42 à commande automatique de gain par un signal fourni par un détecteur 44. Le signal basse fréquence provenant du détecteur est appliqué à un préamplifica- teur video 46. Les sorties des deux préamplificateurs video sont appliquées sur les entrées d'un circuit som- mateur 48. Le signal résultant est appliqué à un filtre passe-bas 50,' puis mis en forme dans un comparateur 52 avant d'être aiguillé, sous forme d'un signal NRZ, vers le coupleur de réception 32. Le coupleur hyperfréquence de réception 32 (Figure 6), dont le rôle est de valider le message reçu avant de le transmettre par octet sur le bus du micro- processeur fonctionnel 16, peut comporter les mêmes éléments que le coupleur d'émission 24, c'est-à-dire un microprocesseur 54 associé à un circuit 56 de récupéra- tion d'horloge et une mémoire vive 56. L'interface 58 sera encore constitué de registres. On a représenté, sur cet interface, une entrée O60 provenant d'un dispositif d'aide à la maintenance fournissant des éléments destinés à être utilisés par le microprocesseur 16. La différence essentielle entre les deux coupleurs consiste en ce que le coupleur de réception 32 aura une mémoire vive 56 à double accès, structurée en deux parties distinctes. L'une des parties, dédiée à l'émission, reçoit du microprocesseur fonctionnel 16 le message à émettre; l'autre partie, dédiée à la récep- tion, reçoit du microprocesseur 54 du coupleur le mes- sage reçu et validé, c'est-à-dire correspondant par exemple à l'une des deux cibles potentielles du véhi- cule. Le microprocesseur 54 peut être prévu pour n'ana- lyser la trame HDLC reçue que si sa partie initiale, constituant un champ adresse, correspond à l'une de ces cibles potentielles. Le microprocesseur 54 peut ainsi discriminer rapidement, parmi les messages reçus, ceux qui concernent l'une de ses cibles. REVENDICATIONS 1. Procédé de transmission de données sans support matériel entre véhicules assujettis à se déplacer sur une voie en environnement ferroviaire, notamment en vue de la détection de la position relative de deux véhicules successifs (14) en déplacement, carac- térisé en ce qu'on émet les messages (34) à transmettre, à partir de chaque véhicule en circulation, sous forme d'émissions répétées, brèves, et à des instants aléatoires, par modulation d'un faisceau hyperfréquence directif dont le développement angulaire est suffisant dans le sens horizontal pour maintenir la communication dans les courbes et les aiguillages et dans le sens vertical pour maintenir la communication lors des changements de profil de la voie. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le message est répété m fois successives au cours d'une période de rafraichissement T, chaque fois à un instant aléatoire à l'intérieur d'un segment particu- lier, de durée T/m, m étant un nombre entier compris entre 5 et 40. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que les messages sont émis à puissance variable suivant les conditions rencontrées, par exemple en prévoyant une puissance nominale et une puissance ré- duite. 4. Dispositif de transmission de données sans support matériel entre véhicules asujettis à se déplacer sur une voie en environnement ferroviaire, notamment en vue de la détection de la position relative de deux vé- hicules successifs (14) en déplacement, caractérisé en ce qu'il comporte, sur chaque véhicule, un ensemble d'émission et un ensemble de réception reliés par des interfaces respectifs à des moyens de traitement de données, l'ensemble d'émission comportant un coupleur de codage et de formatage des données reçues à partir des moyens de traitement de données et des moyens pour émettre les données plusieurs fois consécutives -au cours d'une même période de rafraichissement, à des instants aléatoires. 5. Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que ledit coupleur est prévu pour répéter chaque message m fois successives au cours d'une période de rafraichissement T, chaque fois à un instant aléa- toire à l'intérieur d'un segment particulier, de durée T/m. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de traitement de données comportent deux microprocesseurs (16, 18) dont l'un est affecté aux données fonctionnelles, l'autre aux données de sécurité. - 7. Dispositif selon la revendication 4, 5 ou--6, caractérisé en ce que l'ensemble de réception comporte - plusieurs antennes disposées à des emplacements diffé- rents à l'avant du véhicule. 8. Dispositif selon la revendication 7, carac- térisé en ce que la distance des antennes est au moins égale à dix fois la longueur d'onde d'émission dans l'air. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que chaque antenne (28) est associée à une chaine d'amplification à transposition de fréquence et en ce qu'un sommateur (48) est prévu pour appliquer la somme des signaux des deux chaînes au coupleur de ré- ception (32).