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Vers un laboratoire virtuel pour l’évaluation des composants ERTMS

Patrick SondiMarch 21th, 2013

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Sommaire

I. L’IFSTTAR et moi …

II. L’ERTMS est ses composants

III. VEGAS, un laboratoire virtuel pour l’ERTMS

IV. Perspectives pour l’évaluation par simulation de l’ERTMS

V. Conclusion

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Patrick Sondi: diplômes/qualifications

• Qualifié MCF sections 27 et 61 (Février 2012)

• Doctorat en Informatique, UVHC (10 décembre 2010)– Mention très honorable

• Master Recherche AISIH, UVHC-LAMIH (2007)– Stage au LAMIH (Major de promotion)

• Maîtrise – Ing.-Maître, IUP GMI, UVHC (2006)– Stage à Siemens Transportation Systems (Lille)

• Licence en Informatique, UVHC (2005)– Stage à Réseau Qualité Sociale/Univ Lille3 (Tourcoing)

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Patrick Sondi: parcours professionnel

• Chercheur contractuel sur projet (ANR VEGAS), IFSTTAR : Octobre 2012 – ce jour– Laboratoire virtuel pour l’évaluation de l’ERTMS

• Post-doc IFSTTAR : Juin 2011 – Septembre 2012– Approche co-simulation pour l’évaluation de l’ERTMS

• ATER UVHC-LAMIH : Octobre 2010 – Juin 2011

– Adaptation d’OLSR à la forte mobilité (Transports)

• Allocataire de recherche UVHC-LAMIH : 2007 – 2010– Modèles, algorithmes et évaluations pour le routage à

QoS dans les réseaux mobiles ad hoc

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IFSTTAR = fusion de l’INRETS et du LCPCInstitut Français des Sciences et Technologies pour les Transports, l’Aménagement et les Réseaux

• Recherches fondamentales et appliquées, études

méthodologiques et développements de prototypes

• Expertises et conseils

• Diffusion de l’information scientifique et technique :

publications, réglementation technique et normalisation

• Appui technique, transfert de technologie, essais, certification

• Contribution à la formation initiale/continue et par la recherche

• Exportation à l’international de l’expertise et des techniques

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IFSTTAR : départements et implantations

12*

9*

8*

7*

7*

Unités de recherche par département*

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IFSTTAR en quelques chiffres

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L’ERTMS et ses composants: but, consortium et couverture mondiale*

• Le European Rail Traffic Management System (ERTMS) a été introduit par l’International Union of Railway dans le but d’harmoniser les 20 systèmes de gestion de trafic ferroviaire existants dans les états européens

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L’Europe et 11 autres pays dans le monde

*Source des images et informations: www.ertms.net

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L’ERTMS et ses composants:principaux bénéfices et déploiements*• ERTMS accroît la productivité, permet des vitesses et

une sûreté plus élevées, réduit les coûts de production et de maintenance

• 40000 km de voies équipées à travers le monde

*Source des images et informations: www.ertms.net

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L’ERTMS et ses composants :le sous-système fonctionnel ETCS*

Past

Now Now

Future

*Source:

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L’ERTMS et ses composants:le sous-système de telecommunication

• Basé sur la technologie GSM, le GSM-R joue un rôle vital car il est censé être le moyen de communication unique entre le train et le centre de contrôle à terme.

• les évaluations sur evaluations for le GSM ont requis

• 4 ans ...*Source images: www.siemens.com

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L’ERTMS et ses composantsLes besoins et les technologies évoluent

• Evolution des applications dans les transports du pur fonctionnel vers des applications à valeur ajoutée, notamment pour une sécurité accrue et une meilleure satisfaction des usagers

ETCSBASIC SAFETY APPLICATIONS

ETCSBASIC SAFETY APPLICATIONS

ETCSIMPROVED SAFETY

APPLICATIONS(Video monitoring,…)

USER-FRIENDLY APPLICATIONS(Internet, Phone, Video, Games…)

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L’ERTMS et ses composantsLes besoins et les technologies évoluent

• L’augmentation du trafic ferroviaire ainsi que des besoins en ressources pour les nouvelles applications appellent à une évolution du système de télécommunication

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L’ERTMS et ses composantsLes besoins et les technologies évoluent

• L’ETCS niveau 3 en cours de développement montre les limites du canton mobile implémenté à base de balises.

• Localisation par satellite ? (GPS, Galileo, …)

GNSS

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L’ERTMS et ses composantsFace aux évolutions: des choix et des tests

• De nombreuses sociétés éditrices de solutions ETCS

• Plusieurs équipementiers GSM-R dont certains poussent pour aller illico vers de nouvelles technologies (LTE)

• Seulement trois centres de tests pour la certification:

– DLR (Allemagne)

– CEDEX (Espagne)– Multitel (Belgique)– Pas de Centre en France …

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L’ERTMS et ses composantsDes simulateurs surtout pour le fonctionnel• Le simulateur ERTMS par ERSA France

Evaluation du sous-système fonctionnel avec un modèle

idéalisé du sous-système de télécommunication (GSM-R)

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L’ERTMS et ses composantsUne prise en compte télécom paramétrée…

• ERSA simulator models the track and all the messages exchanged between de train and the Radio Block Center

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L’ERTMS et ses composantsUn simulateur de trafic avec radio simplifiée

IXL Simulator

RBC Simulator

Radio Network Simulator

RouteMap

Controller

ExternalRBC

TRAINS

ISDN

CORBA

ISDN

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Source: ERSA France

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VEGAS Virtual lab based on co-simulation to includeimpairements of wireless tElecommunication such as GSM-R inthe evAluation of ERTMS components

Programme et financeur ANR - TDM2012 (Appel Transport Durable et Mobilité)

Coût Total 1 397 733.80 €

Subvention 423 421.00 €

Effort total 122 personne.mois

Nom et affiliation du coordinateur Marion Berbineau – IFSTTAR

Partenaires IFSTTAR, ERSA FRANCE, UTC/HEUDIASYC

Pôle de compétitivité i-trans

Contact IFSTTAR-LEOST Patrick Sondi

Durée 36 mois (1/10/2012 - 30/09/2015)

Site internet http://vegas.ifsttar.fr

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Motivation: l’obsolescence du GSM-R

• GSM technology met ETCS applications requirements, but new prospective applications may not be supported

• GSM was widely deployed in Europe, but several more recent technologies now cover major part of the areas and provide higher capacity and reliability (Wimax, LTE)

• GSM may ends by 2016 which will imply costly custom maintenance solution to rail operators for GSM-R

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Justification: un modèle plus réaliste dusous-système de télécommunication

• ERTMS testbeds should integrate a more realistic telecommunication subsystem behavior in order to:

– Evaluate GSM-R in the context of increased traffic

– Evaluate the impact of GSM-R impairments on ETCS applications, train control and traffic

– Accelerate testings and validation of any prospective telecommunication technology for replacing GSM-R

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VEGASRésumé

• Objet – Réaliser un laboratoire virtuel pour évaluer des scénarios ERTMS en prenant en

compte les aléas liés au sous-système de télécommunication.

• Résultats– Un accroissement de l’interactivité du simulateur ERTMS d’ERSA avec des

simulateurs d’autres composants ERTMS

– La conception et la validation d’un protocole de co-simulation pour l’évaluation des composants ERTMS et spécification d’échange de données entre simulateurs

– Mécanismes de génération automatique de données de test pour la co-simulation à partir de scénarios élaborés depuis un simulateur ou depuis des données réelles

• Réalisations – Un laboratoire virtuel couplant le simulateur ERTMS d’ERSA avec OPNET dans

lequel un modèle du GSM-R sera implémenté

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VEGASDiagramme des tâches

Task 1: P

roject Managem

ent

Task 7: D

issemination and

Recom

mendation for future system

s

Task 2: Co-simulation: Concepts and Protocol

Task 3 Opening the ERTMS Simulator

Task4 Opnet Models

for GSM-R and other

prospective Technologies

Task 5 Automatic

Generation of Data and

Scenarios

Task 6: proof of concept

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VEGASLes risques majeurs

Intitulé du risque Action préventive possible

Impossibilité de réaliser une synchronisation en live des simulateurs impliqués dans le laboratoire virtuel

Spécification d’un protocole de co-simulation offline avec des mécanismes spécifiques de validation

OpenETCS ne fournit pas de formats de données standard pour les échanges entre outils avant la fin du projet VEGAS

Proposition par VEGAS d’un format d’échange qui sera ensuite remontée comme une suggestion à l’initiative OpenETCS

Impossibilité d’automatiser une partie des tâches liées à un simulateur ou à la génération des tests

Maintien des mécanismes manuels associés, avec définition de procédures pour endiguer les erreurs liées à l’opérateur humain

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Co-simulation approach to ERTMS evaluation

• Using the ERTMS simulator for the functional subsystem and OPNET for the telecommunication subsystem

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Concept of scenario in a co-simulation

• Each scenario component is decomposed in two views, one for each one of both ERTMS and OPNET simulators

Trajectory

Track Metrics

Transmissions

OPNET View ERTMS simulator View

OPNET View ERTMS simulator View

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Concept of scenario: track & trajectory

• Track and Trajectory are modeled in a object in OPNET

• Only endpoints associated with events are necessary.

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Concept of co-simulation: transmissions

• Transmissions associate the messages with endpoints and times. Periodic messages can be configured

KP 34918.6 / Time:16h24m27.276s

Message type:129ETCS message:Validated Train DataSize: 47 bytes

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Concept of co-simulation: metrics

• The metrics are related to « what is evaluated? » in the scenario from both functional and telecommunication point of view. Here is a case study on the delay.

After ERTMS after OPNET DERTMS2 = D’T->RBC+D’p+D’RBC->T

After ERTMS before OPNET DERTMS1 = DT->RBC+D’p+DRBC->T

Before ERTMS D = DT->RBC+Dp+DRBC->T

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OPNET allows rapid implementation of a model of GSM-R and of other technologies

• We are improving an implementation of GSM in OPNET in order to obtain a model of GSM-R with Euroradio layer

Remplacer l’infrastructure GSM-R par une autre en gardant les voies, les scenarios, etc, côté train.

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Co-simulation platform synchronization:online/offline – direct/with intermediate module

ERTMS Simulator

Interface with OPNETInterface with ERTMS

simulator

OPNETProcedure_1 Procedure_1

Procedure_2 Procedure_2

… …

Procedure_N Procedure_P

En phase de développement

En phase de production

ERTMS Simulator

Generic Interface GenericInterface

GenericCo-simulation

module

GenericInterface

Generic Interface

OPNET

Procedure_1 Proc_1 Proc_1 Procedure_1

Procedure_2 Proc_2 Proc_2 Procedure_2

… … … …

Procedure_Q Proc_Z Proc_Z Procedure_S

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Co-simulation protocol: offline process

1. Fix a scenario and generate views for both simulators

2. Fix telecommunication metrics to default: run Ertms

Result: Sim_Ertms_1 with a set of events (S1,S2,…,Sn)

3. Set metrics in OPNET view to results of 2 : run Opnet

4. Set telecommunication metrics to results of 3: run Ertms

Result: Sim_Ertms_2 with a set of events (P1,P2,…,Pn)

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Co-simulation protocol: result validation

• Functional subsystem condition:

A co-simulation is valid if the ordered set of events

(S1,S2,…,Sn) and (P1,P2,…,Pn) are equivalent

Sim_Ertms_n and Sim_Ertms_(n+1) lead to the same

functional responses during the simulations

• Telecommunication subsystem condition:

the values observed on the telecommunication metrics

during the last simulation in OPNET that led to a valid

co-simulation meet the QoS requirements of ETCS.

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Early validation procedure: using real traces

• We are using real-world traces provided by Alstom in order to validate the entire co-simulation process

» high precision between the» traces and the Trajectory» model in OPNET

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Architecture and set of events extracted from real-world traces for model validation

• The set of events can be defined based on the messages

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Publications

• Sondi P., Kassab M., Berbineau M. and Mariano G. (2013) «Generating Test Scenarios Based on Real-World Traces for ERTMS Telecommunication Subsystem Evaluation », Nets4Cars/Nets4Trains 2013, LNCS, Springer-verlag, 2013 (à paraître)

• Sondi P., Kassab M., Berbineau M., Aguado M. and Lemaire E. (2012) «Toward a Common Platform for Simulation-Based Evaluation of Both Functional and Telecommunication Subsystems of the ERTMS », JRC 2012, USA, 2012

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Perspectives pour l’évaluation par simulation des composants ERTMS

• Comment intégrer et synchroniser les outils existants et garantir la validité des résultats obtenus ?

• C’est la tentative menée dans VEGAS entre le simulateur ERSA (continu) et OPNET (à événements discrets).

• Un module de co-simulation externe/qui englobe les deux simulateurs et qui pilote la co-simulation est la solution vers laquelle nous comptons aller.

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Perspectives pour l’évaluation par simulation des composants ERTMS

• Comment intégrer les outils dont les propriétaires ne souhaitent pas fournir les modèles, pour raison de confidentialité par exemple, y compris ceux dont ils n’acceptent l’exécution que depuis leur propre environnement matériel ?

• Un module de co-simulation externe/qui englobe les différents simulateurs et qui pilote la co-simulation doit être conçu de manière à supporter l’intégration de certains outils via un réseau de communication (éventuellement sécurisé) et tolérer les latences afférentes.

IV – 2/3

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Perspectives pour l’évaluation par simulation des composants ERTMS

• Comment inciter les concepteurs de modèles pour des composants ERTMS à implémenter une interface ouverte au laboratoire virtuel afin que ce dernier devienne à terme un outil de certification ?

• Il faut que le module de co-simulation externe/qui englobe les différents simulateurs et qui pilote la co-simulation adopte lui-même un format standard dans la spécification des interface, et ça aiderait qu’il soit adopté par un des groupes actifs en faveur de l’ouverture et de l’interopérabilité des outils (OpenETCS par exemple)

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Conclusion

• L’ERTMS va inévitablement devoir faire évoluer ses standards (ETCS, GSM-R) pour s’adapter aux besoins des usagers et aux évolutions technologiques

• Les coûts et les durées liés aux tests imposent la réduction des solutions à tester sur voie à une liste minimale par l’usage intensif de simulateurs. Le couplage des outils existants étant la solution la plus réaliste et la plus rapide.

• La recherche en modélisation, simulation et synchronisation de modèles et de simulateurs dispose d’un grand champ d’inspiration et d’application dans le transport ferroviaire.

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Patrick Sondi