Soutenance mémoire
Le chemin de fer, matériel roulant et infrastructure
Définition – Chemin de fer
Le chemin de fer est un système de transport guidé destiné à l’acheminement de personnes ou de marchandises qui comporte :
• Une infrastructure qui comprend à minima :
· Un ensemble de rails en acier qui forme la voie ferrée et assurent la fonction de guidage des véhicules.
· Un ensemble de points d’arrêt, appelés gares ou stations, qui assurent la fonction d’interface d’échange entre deux véhicules ou entre un véhicule et l’extérieur du système.
• Un ensemble de véhicules de transport qui se déplace au moyen de roues en contact avec le rail.
Le matériel roulant
Les véhicules ferroviaires s’organisent en convois que l’on appelle des trains. Un train peut être composé d’une rame unique et parlera d’unité simple ou composé d’un attelage de plusieurs rames et on parlera d’unité multiple. Une rame peut être :
• Un attelage de voitures non motrices pour le transport de passagers avec une locomotive placée à une ou deux extrémités de la rame et qui assure la motorisation de la rame .
• Un attelage de wagons pour le transport des marchandises avec une locomotive placée à une ou deux extrémités de la rame et qui assure la motorisation de la rame.
• Un attelage d’éléments automoteurs qui sert pour le transport de passagers. Chaque élément étant moteur, il n’y a pas de locomotive mais une cabine de conduite aux deux extrémités de la rame.
Dans cette thèse, on se place dans le cadre du transport de passagers uniquement. On décrira souvent les trains sans rentrer dans le détail de leur composition mais en les résumant par un ensemble de caractéristiques physiques nécessaires et suffisantes pour décrire la dynamique de ce train avec une précision adaptée aux problématiques de cette thèse.
Modèle de la dynamique d’un train
Considérons un train comme un solide indéformable se déplaçant sur une voie qui fait un angle α avec l’horizontale . On fait le bilan des forces qui s’appliquent à celui-ci dans un cas général . On distingue quatre forces :
• Le poids P qui est vertical et dirigé vers le bas et qui s’applique dans l’hypothèse d’un solide indéformable au centre de gravité du train.
• La réaction normale Rn du rail à l’écrasement du train. Cette force s’applique aux points de contacts entre les roues et le rail perpendiculairement à celui-ci.
• Les frottements inefficaces F ine f f dus à la résistance de l’air, aux zones de glissements entre les roues et le rail et à la résistance à l’arrachement. Ces frottements sont indésirables.
• Les frottements efficaces F e f f qui transmettent les efforts de traction et de freinage au train par les surfaces où les roues (motrices pour les efforts de traction) adhèrent aux rails. Ces frottements sont utiles.
Conséquences de la faible adhérence
Les phénomènes de frottement et de résistance au roulement dus aux déformations qui ont lieu entre la roue et le rail sont responsables de l’adhérence du train mais occasionnent également des pertes d’énergie. Il n’existe pas de matériau qui assure à la fois une adhérence forte et des pertes d’énergie faibles. On ne considérera que le cas où les roues sont en acier (comme le rail). Dans ce cas-là l’adhérence est alors assez faible ce qui limite l’accélération et le freinage. En revanche, un faible coefficient de friction et une grande raideur de l’acier assurent une dissipation d’énergie faible. À titre de comparaison, dans le cas des roues dotées de pneumatiques, le coefficient de friction est quatre fois plus grand et la résistance au roulement vingt fois plus grande que dans le cas de roues en acier.
L’infrastructure
On a présenté dans la définition du chemin de fer l’infrastructure minimale que comporte un chemin de fer, à savoir la voie ferrée et un ensemble de points d’arrêt. Cette définition est volontairement minimale en ce qu’elle doit englober les nombreuses configurations existantes. Cette sous-section est dédiée à une description plus en profondeur de l’infrastructure ferroviaire. Nous complèterons la description de l’infrastructure avec le cantonnement, la signalisation, les contrôles de vitesses, les gares et les aiguillages. Nous discuterons également de l’aspect guidé du chemin de fer. Cette description apporte des éléments de compréhension nécessaires pour suivre la suite de la thèse et n’a pas vocation à être exhaustive. À plus grande échelle, on s’intéressera à l’organisation spatiale du réseau ferré.
Le cantonnement et la signalisation
Comme on vient de le voir, le cantonnement et la signalisation sont un moyen pour les conducteurs de train de recevoir des informations sur ce qui se passe bien au-delà de leur champ de vision. Cela les autorise à rouler à des vitesses élevées tout en leur assurant d’être prévenus suffisamment à l’avance de la présence d’un obstacle afin de réussir à arrêter leur train. Le principe du cantonnement est de diviser une voie en segments appelés cantons et d’interdire à deux trains de se trouver sur le même canton. La signalisation permet de concrétiser cette interdiction en relayant l’information d’occupation d’un canton, ou de la présence d’un autre obstacle, sur plusieurs cantons. L’affichage de cette information est visible par le conducteur sous la forme d’un signal.
On distingue les types de cantonnement selon :
• Que les cantons soient fixes : avec une signalisation implantée au sol ou plus rarement en cabine pour augmenter la visibilité. C’est de loin le système le plus répandu.
• Que les cantons soient mobiles : ce qui implique une signalisation en cabine. C’est un système adapté aux grandes vitesses où des signaux implantés sur la voie seraient visible un laps de temps trop court pour le conducteur.
• Le nombre d’aspects disponibles pour les signaux. Plus il y en a, plus la distance d’arrêt entre un train et un obstacle est divisible. À mesure que l’on se rapproche d’un obstacle, les aspects correspondent à des vitesses de consigne de plus en plus faibles.
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Table des matières
Introduction
1 Éléments de trafic – problématique
1.1 Le chemin de fer, matériel roulant et infrastructure
1.1.1 Le matériel roulant
1.1.2 L’infrastructure
1.2 Le chemin de fer : gestion des circulations
1.2.1 Planification : gestion à l’horaire ou à la fréquence
1.2.2 Les sillons
1.2.3 Débit et capacité
1.2.4 Construction du plan de transport et robustesse
1.2.5 Effondrement du plan de transport
1.3 Le trafic routier et la congestion
1.3.1 Variables individuelles-variables de flux
1.3.2 Relation entre vitesse, concentration et débit du flux
1.3.3 Diagramme fondamental
1.3.4 Le modèle LWR
1.3.5 Congestion-définitions
1.3.6 Comparaison entre le trafic ferroviaire et le trafic routier
1.4 Problématique
2 Modélisation microscopique stochastique sans gare
2.1 État de l’art de la modélisation stochastique du déplacement des trains
2.1.1 Historique de la modélisation stochastique du déplacement des trains
2.2 Construction du modèle
2.2.1 L’infrastructure
2.2.2 Le matériel roulant
2.2.3 Les forces décrivant le comportement d’un train
2.2.4 Implémentation numérique du modèle
2.3 Apparition de la congestion
2.3.1 Organisation des simulations
2.3.2 Compétiton entre la force aléatoire et la force horaire
2.3.3 Résultats
2.4 Analyse du modèle et des résultats par des processus de Markov
2.4.1 Processus de Markov
2.4.2 Les distributions de type phase
2.4.3 Lien avec le modèle
2.5 Quantification de la congestion
2.5.1 Organisation des simulations
2.5.2 Dynamique de la vitesse instantanée moyenné sur les trains
2.5.3 Diagramme Fondamental de Ligne Ferroviaire
3 Prise en compte des gares
3.1 Évolution du modèle pour prendre en compte les gares
3.1.1 L’infrastructure et le plan de transport
3.1.2 Implémentation numérique du modèle
3.2 Apparition de la congestion
3.2.1 Organisation des simulations
3.2.2 Résultats
3.3 Quantification de la congestion
3.3.1 Organisation des simulations
3.3.2 Dynamique de la vitesse moyenne instantanée
3.3.3 Diagramme Fondamental de Ligne Ferroviaire
3.4 Conclusions sur le modèle développé
3.4.1 Aspects statiques
3.4.2 Aspects dynamiques
4 Confrontation avec les données
4.1 Données
4.2 Impossibilité d’un diagramme fondamental local
4.3 Vers un diagramme fondamental de ligne ferroviaire
4.3.1 Principes du diagramme fondamental de réseau en routier
4.3.2 Méthode de construction du DFLF
4.3.3 Résultats et analyses
4.4 Confrontation des données avec le modèle
4.4.1 Diagramme fondamental de ligne ferroviaire moyenné : cas réel
4.4.2 Mise en perspective avec la modélisation
4.5 Discussion et conclusion
Conclusion
