Brevet FR3098331A1 — publié le 20210108

Description Titre de l'invention : Dispositif de simulation d'un système fer- roviaire et procédé de simulation associé [0001] La présente invention concerne un dispositif de simulation d'un système ferroviaire, dans le but notamment d'optimiser le fonctionnement de ce système et (l'améliorer son efficacité énergétique. [0002] Un système ferroviaire, en particulier un système ferroviaire de trains urbains, est un système complexe constitué de nombreux systèmes et sous-systèmes coopérant les uns avec les autres. [0003] Au moyen des technologies de simulation connues, il n'est soit pas possible de prédire les effets sur l'ensemble du système ferroviaire d'un changement local, (par exemple affectant un sous-système), soit pas économiquement viable de développer et maintenir un logiciel adapté, soit encore pas envisageable d'obtenir, avec un temps de simulation acceptable, des informations pertinentes sur le comportement d'un tel système. [0004] Le but de cette invention est de résoudre ce problème. [0005] Pour cela l'invention a pour objet un dispositif de simulation d'un système fer- roviaire complet, le dispositif comportant : un organe de mémorisation d'une modélisation du système ferroviaire, ladite modélisation associant un composant unitaire à chaque agent résultant d'une décomposition fonctionnelle du système ferroviaire à simuler, chaque composant unitaire intégrant un modèle du comportement de l'agent associé, ayant des paramètres d'entrée et délivrant des paramètres de sortie, les paramètres dc sorties d'au moins un composant unitaire étant propres à constituer des paramètres d'entrée d'un autre composant unitaire, chaque composant unitaire étant caractérisé par une période d'exécution du modèle du comportement qu'il intègre ; et un organe de calcul, propre à simuler une évolution temporelle de la modélisation du système ferroviaire à partir d'un état initial, en exécutant le modèle de comportement de chaque composant unitaire avec une périodicité correspondant à la période d'exécution qui le caractérise, en utilisant des valeurs courantes des paramètres d'entrée pour calculer des valeurs mises à jour des paramètres de sortie. [0006] Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : [0007] - la modélisation comporte un ou plusieurs des composants unitaires suivants : un composant unitaire d'infrastructure décrivant le réseau ; un composant unitaire du système d'alimentation électrique ; un composant unitaire de matériel roulant décrivant 2 la configuration d'un train ; un composant unitaire de cinématique de train dérivant le comportement dynamique d'un train ; un composant unitaire de régulation du trafic ; un composant unitaire de signalisation ; un composant unitaire de contrôle des trains ; et un composant unitaire d'environnement décrivant les paramètres extérieurs affectant le système ferroviaire ; [0008] - chaque période d'exécution est choisie comme un multiple d'une période minimale de référence ; [0009] - l'organe de calcul intègre un module d'importation propre à configurer l'état initial de la modélisation en chargeant un fichier d'état initial depuis l'organe de mémorisation ; [0010] - l'organe de calcul est configure pour évaluer des grandeurs de fonctionnement du système ferroviaire simule à partir des valeurs des paramètres de sortie ; [0011] - l'organe de calcul est configure pour évaluer une consommation énergétique du système ferroviaire simule à partir des valeurs des paramètres de sortie ; [0012] - le dispositif comporte une unité d'édition permettant à un opérateur de définir la modélisation ; [0013] - le dispositif comporte une unité d'interprétation d'un fichier de résultats généré par l'organe de calcul à l'issue de la simulation ; et [0014] - l'organe de calcul comprend un moteur du type holistique. [0015] L'invention a également pour objet un procédé mis en oeuvre par un dispositif conforme au dispositif précédent, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : mémoriser une modélisation du système ferroviaire, ladite modélisation associant un composant unitaire à chaque agent résultant d'une décomposition fonctionnelle du système ferroviaire à simuler, chaque composant unitaire intégrant un modèle du comportement de l'agent associé, ayant des paramètres d'entrée et délivrant des paramètres de sortie, les paramètres de sorties d'au moins un composant unitaire étant propres à constituer des paramètres d'entrée d'un autre composant unitaire, chaque composant unitaire étant caractérisé par une période d'exécution du modèle du comportement qu'il intègre ; et simuler une évolution temporelle de la modélisation du système ferroviaire à partir d'un état initial, en exécutant le modèle de comportement de chaque composant unitaire avec une périodicité correspondant à la période d'exécution qui le caractérise, en utilisant des valeurs courantes des paramètres d'entrée pour calculer des valeurs mises à jour des paramètres de sortie. [0016] 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 illustratif et non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : [0017] [fig.1] La figure 1 est une représentation schématique, sous forme de blocs, d'une 3 plateforme informatique en tant que dispositif de simulation propre à exécuter le procédé de simulation selon l'invention ; et, [0018] [fig.2] la figure 2 est une représentation fonctionnelle d'une modélisation en composants unitaires du système ferroviaire complet à simuler, cette modélisation étant utilisée par le dispositif de simulation de la figure 1. [0019] La figure 1 est une représentation schématique d'une plateforme informatique 100, également appelée par la suite dispositif de simulation. [0020] Celle-ci comporte des moyens de calcul 101 et des moyens de mémorisation 102. [0021] Les moyens de mémorisation stockent notamment des instructions de programmes d'ordinateur, qui sont propres à être exécutées par les moyens de calcul pour la mise en oeuvre desdits programmes. [0022] Parmi ces programmes, se trouve une application logicielle de simulation 120 dont l'exécution permet de mettre en oeuvre le procédé de simulation selon l'invention du comportement d'un système ferroviaire complet. [0023] Ce système ferroviaire est par exemple un réseau ferroviaire de trains urbains, constitué d'une pluralité de lignes et d'une pluralité de trains circulant sur ces lignes. [0024] L'application logicielle de simulation 120 est fondée sur une modélisation M du système ferroviaire. Cette modélisation M est stockée dans les moyens de mémorisation 102. [0025] La modélisation est fondée sur une décomposition du système ferroviaire en une pluralité de blocs fonctionnels également appelés agents élémentaires, un agent élémentaire correspondant à la plus petite entité fonctionnelle du système ferroviaire. [0026] La modélisation M associe alors, à chaque bloc fonctionnellagent élémentaire, un composant unitaire Ci. [0027] Selon l'invention, chaque agent est décrit à travers un ensemble de comportements déterministes, un comportement étant déclenché par des entrées identifiées et produisant des sorties identifiées. Le composant unitaire Ci associé à un bloc fonctionnellagent élémentaire intègre un modèle reflétant le comportement/fonctionnement déterministe du bloc/de l'agent correspondant, ce modèle comportant des paramètres d'entrée El et des paramètres de sortie Si. Les paramètres de sortie représentent par conséquent l'effet des paramètres d'entrée sur le fonctionnement/comportement du composant unitaire, c'est-à-dire du bloc/de l'agent correspondant. [0028] Chaque modèle comprend par exemple une pluralité d'instructions logicielles de pro- grammation propres lorsqu'elles sont exécutées par les moyens de calcul 101 à déterminer en fonction des paramètres d'entrée, les paramètres de sortie correspondant. [0029] Les sorties de certains composants unitaires sont exposées à l'ensemble des composants unitaires. Certaines de ces sorties constituent des entrées d'autres composants unitaires de la modélisation du système ferroviaire dont le comportement est sensible aux grandeurs concernées. [0030] De surcroit les composants unitaires peuvent posséder plusieurs lois de com- portements représentatives des cycles de fonctionnement du système ferroviaire ou des lois d'évolution de l'environnement du système ferroviaire. [0031] De manière connue en soi, le système ferroviaire comprend un réseau de voies ferrées, au moins un dispositif d'alimentation électrique, au moins un véhicule ferroviaire, au moins une unité de régulation du trafic, au moins un dispositif de signalisation et au moins un organe de contrôle du ou des véhicules ferroviaires. [0032] Comme représenté à la figure 2, la modélisation M du système ferroviaire complet comporte par exemple : [0033] - un composant unitaire d'infrastructure Cl décrivant le réseau : la topologie de chaque ligne ; la position et état courant de chaque aiguille ; la pente locale ; la position de chaque station et des dépôts ; etc. [0034] - un composant unitaire de modélisation du dispositif d'alimentation électrique C2 modélisant notamment : le type ("réversibles" ou non) de chaque sous-station d'alimentation ; la présence de moyens de stockage d'énergie ; les points d'injection et de retour du courant le long des voies ; les caractéristiques électriques des composants ; etc. [0035] - un composant unitaire de véhicule ferroviaire C3 décrivant la configuration du véhicule ferroviaire : nombre de voitures ; masse ; systèmes auxiliaires (climatisation des voitures, éclairage, etc.) ; modèle de consommation/génération de puissance électrique à bord du train ; un modèle énergétique du système de traction ; un modèle de consommation énergétique des dispositifs auxiliaires à bord du train ; etc. [0036] - un composant unitaire de cinématique de véhicule ferroviaire C4 dérivant le com- portement dynamique du véhicule ferroviaire : accélération en traction et en freinage ; vitesse ; etc. [0037] - un composant unitaire de régulation du trafic C5 décrivant : les mécanismes de ré- gulation pour gérer le trafic des trains sur le réseau modélisé (le long des voies et au niveau des dépôts) ; les tables horaires ; etc. [0038] - un composant unitaire de signalisation C6 décrivant : le dispositif de signalisation du réseau et sa dynamique de fonctionnement pour l'exploitation du réseau ; les limitations de vitesse ; les contraintes de protection des aiguilles ; etc. [0039] - un composant unitaire de contrôle des trains C7 décrivant : les systèmes ATP/ATS mis en oeuvre ; la génération d'autorisations de mouvement pour les trains ; etc. [0040] - un composant unitaire d'environnement C8 décrivant des paramètres extérieurs affectant le système ferroviaire, c'est-à-dire des paramètres extérieurs relatif à un environnement dans lequel évolue le système ferroviaire : température de l'air extérieur ; température souhaitée à l'intérieur d'une voiture ; nombre de passagers ; etc. [0041] Tl est à souligner qu'un système peut à son tour être décomposé en sous-systèmes, et que par conséquent de nombreuses modélisations sont envisageables en fonction du niveau de décomposition d'un système du système ferroviaire et des modèles mis en oeuvre par chaque composant élémentaire. [0042] Le dispositif de simulation 100 comporte une unité d'édition 122 de la modélisation M. telle qu'une interface homme-machine, pour permettre à un opérateur de construire une telle représentation holistique de l'intégralité du réseau ferroviaire en incluant tous les systèmes et sous-systèmes interconnectés qui en font un système complexe. [0043] L'application logicielle de simulation 120 comporte un moteur 124 de préférence du type hal istique permettant de faire évoluer l'état du système ferroviaire représenté par la modélisation. Le moteur 124 est propre à être exécuté par les moyens de calcul 101. [0044] Pour ce faire, la simulation est fondée sur des échelles de temps. Chaque composant unitaire Ci est associé à un cycle de vie, qui est défini par la donnée d'une période d'exécution. [0045] La période d'exécution d'un composant unitaire et notamment du modèle qu'il intègre est un multiple d'une période minimale. [0046] Lors de l'exécution du moteur 124 par les moyens de calcul 101, chaque composant unitaire et notamment le modèle qu'il intègre est exécuté périodiquement selon la valeur de la période d'exécution qui lui est associée. [0047] Ainsi, les composants unitaires ayant une période d'exécution réduite sont exécutés plus souvent que les composants ayant une période d'exécution élevée. Les paramètres de sortie d'un composant unitaire ayant un cycle de vie court seront donc ratiaichis plus souvent que ceux d'un composant unitaire ayant un cycle de vie long. [0048] Ainsi par exemple, un cycle de vie de 100 ms est attribué au composant unitaire de cinématique de train, de 1 s au composant unitaire de matériel roulant décrivant notamment le comportement énergétique d'un train, et de 3600 s au composant unitaire d'environnement relatif aux équilibres thermiques. [0049] Lors de son exécution, le moteur 124, qui est associé à un module d'importation 125, charge via ledit module la modélisation M ainsi qu'un fichier d'état initial Ei. [0050] Le moteur 124 commence par initialiser l'état de la modélisation M. Les données d'initialisation sont lues dans le fichier d'état initial Ei. [0051] Puis, au cours de l'exécution du moteur 124 par les moyens de calcul, le système fer- roviaire simulé évolue, au rythme de son cycle de vie, chaque composant unitaire réagissant à l'évolution de ses paramètres d'entrée causée par le reste de la modélisation, extérieur au composant unitaire considéré. Dit autrement, le calcul des paramètres de sortie de chaque composant unitaire à un instant particulier est obtenu à partir d'un état connu à cet instant du système ferroviaire complet. [0052] Au bout d'un certain temps d'exécution du moteur 124, équivalent à une durée 6 d'exploitation du système ferroviaire, le moteur 124 produit un fichier d'état final Ef et un fichier de résultats R, correspondant à des grandeurs d'intérêt évaluées au cours de l'exécution de la simulation. Ces fichiers sont stockés dans les moyens de mémorisation 102 via le module 125. [0053] En particulier, le fichier de résultats R comporte une estimation dc la consommation énergétique du système ferroviaire et/ou des grandeurs relatives au fonctionnement du système ferroviaire. [0054] La consommation énergétique est par exemple obtenue à partir d'un paramètre de sortie du composant unitaire du dispositif d'alimentation électrique. [0055] L'application logicielle de simulation 120 comporte une unité d'interprétation 126 du fichier de résultats R propre à être exécutée par les moyens de calcul 101. [0056] L'homme du métier constatera que l'invention consiste en une virtualisation du fonc- tionnement de l'ensemble d'un système ferroviaire à l'aide d'une technologie de simulation multi agents / mufti échelles de temps, qui permet de déterminer un état du système à l'issue d'une durée d'exploitation avec un effort et un temps d'exécution abordables. [0057] Avec une telle approche, il n'est notamment pas nécessaire de connaître l'effet d'un mode dégradé pour pouvoir le modéliser. 7 [Revendication I] REVENDICATIONSDispositif de simulation (100) d'un système ferroviaire, caractérisé en ce que le dispositif comporte : - un organe de mémorisation (102) d'une modélisation (M) du système ferroviaire, ladite modélisation comprenant une pluralité de composants unitaires (Cl à C8) résultant d'une décomposition en blocs fonctionnels du système ferroviaire à simuler, chaque composant unitaire intégrant un modèle du comportement du bloc fonctionnel associé, ayant des paramètres d'entrée (H à E8) et délivrant des paramètres de sortie (S1 à S8), les paramètres de sorties d'au moins un composant unitaire étant propres à constituer des paramètres d'entrée d'un autre composant unitaire, chaque composant unitaire étant caractérisé par une période d'exécution (pl à p8) du modèle du comportement qu'il intègre ; et, - un organe de calcul (101), propre à simuler une évolution temporelle de la modélisation (M) du système ferroviaire à partir d'un état initial, en exécutant le modèle de comportement intégré dans chaque composant unitaire avec une périodicité correspondant à la période d'exécution qui le caractérise, en utilisant des valeurs courantes des paramètres d'entrée pour calculer des valeurs mises à jour des paramètres de sortie ; dans lequel le système ferroviaire comprend un réseau de voies ferrées, au moins un dispositif d'alimentation électrique, au moins un véhicule ferroviaire, au moins une unité de régulation du trafic, au moins un dispositif de signalisation et au moins un organe de pilotage du ou des véhicules ferroviaires, la modélisation (M) comportant les composants unitaires suivants : - un composant unitaire d'infrastructure modélisant le dispositif d'alimentation élecnique et apte à déterminer à chaque période d'exécution des grandeurs électriques du réseau à partir notamment de valeurs de position et de puissance électrique appelée par chaque véhicule ferroviaire ; et - un composant unitaire de véhicule ferroviaire modélisant la configuration du véhicule ferroviaire et/ou un composant unitaire de cinématique de véhicule ferroviaire modélisant le comportement dynamique du véhicule ferroviaire et/ou un composant unitaire de pilotage du ou des véhicules ferroviaires; et - un composant unitaire de signalisation apte à modéliser les dispositifs 8 de sécurité du système ferroviaire relatifs à la circulation et à l'aiguillage de chaque véhicule ferroviaire ; et - un composant unitaire de régulation du trafic apte à modéliser les algorithmes utilisés par des systèmes de supervision ferroviaire pour gérer des retards et le déplacement de chaque véhicule ferroviaire. - et avantageusement, un composant unitaire d'environnement décrivant des paramètres extérieurs affectant le système ferroviaire. [Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la période d'exécution associée à chaque composant est un multiple d'une période minimale dc référence. [Revendication 3] Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'organe de calcul est propre à exécuter un module d'importation (125) propre à configurcr l'état initial dc la modélisation en chargeant un fichier d'état initial (Ei) depuis l'organe de mémorisation, l'état initial comprenant de préférence des valeurs des paramètres d'entrée pour chaque composant unitaire. [Revendication 4] Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'organe de calcul est configure pour évaluer des grandeurs de fonctionnement du système ferroviaire simulé à partir des valeurs des paramètres dc sortie. [Revendication 5] Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'organe de calcul est configuré pour évaluer une consommation énergétique du système ferroviaire simulé à partir des valeurs des paramètres de sortie. [Revendication 6] Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif comporte une unité d'édition (122) permettant à un opérateur de définir la modélisation. [Revendication 7] Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif comporte une unité d'interprétation (126) d'un fichier de résultats (R) généré par l'organe de calcul (101) à l'issue de la simulation. [Revendication 8] Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'organe de calcul est propre à exécuter un moteur du type holistique pour simuler l'évolution temporelle de la modélisation. [Revendication 9] Procédé de simulation mis en oeuvre par un dispositif de simulation conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes consistant à : - mémoriser une modélisation (M) du système ferroviaire, ladite modé- lisation associant un composant unitaire (Cl à CR) à chaque agent résultant d'une décomposition fonctionnelle du système ferroviaire à simuler, chaque composant unitaire intégrant un modèle du comportement de l'agent associé, ayant des paramètres d'entrée (El à ER) et délivrant des paramètres de sortie (SI à S8), les paramètres de sorties d'au moins un composant unitaire étant propres à constituer des paramètres d'entrée d'un autre composant unitaire, chaque composant unitaire étant caractérisé par une période d'exécution (pl à p8) du modèle du comportement qu'il intègre ; et, - simuler une évolution temporelle de la modélisation (M) du système ferroviaire à partir d'un état initial, en exécutant le modèle de comportement de chaque composant unitaire avec une périodicité correspondant à la période d'exécution qui le caractérise, en utilisant des valeurs courantes des paramètres d'entrée pour calculer des valeurs mises à jour des paramètres de sortie.