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Documents Dimensionnement et exploitation du Métro Grand Paris (RATP)Dimensionnement et exploitation du Métro Grand Paris (RATP) |
et exploitation
du Métro Grand Paris
(RATP)
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Département maîtrise d’ouvrage du transport
MOT
a
NOTE MOT D 2010-5187
11 mars 2010 version 8
Dimensionnement et exploitation du Métro Grand Paris
1. Objet
Le Métro Grand Paris fait l’objet depuis fin 2008 de plusieurs réflexions concernant son
dimensionnement, son exploitation et son exploitabilité.
Cette note a pour objet d'effectuer une synthèse des travaux réalisés jusqu'à présent. Elle présente le
dimensionnement du réseau en intégrant les dernières données d'entrée et décrit le besoin
concernant son exploitation.
Le Métro Grand Paris est constitué de trois lignes dites :
• Bleue : Prolongement au nord à Roissy et au sud à Orly de la ligne 14 ;
• Verte : Rocade ouest, reliant Roissy à Orly via La Défense, Versailles et Massy;
• Rouge : Rocade sud et est, reliant La Défense à Le Bourget via Villejuif et Noisy Le Grand.
Les lignes bleue et verte sont en tronc commun entre Pleyel et Roissy. Elles possèdent chacune un
terminus intermédiaire, Pleyel pour la ligne bleue et Versailles pour la ligne verte.
UAVERTISSEMENT
Les résultats présentés dans cette étude ne correspondent qu'à une approche théorique du calcul
de dimensionnement. L'intérêt est d'exprimer un ordre de grandeur des besoins nécessaires au
fonctionnement du réseau.
Le dimensionnement et l’exploitation du réseau repose pour cette note sur les hypothèses de base
à savoir une homogénéité de matériel de type pneumatique sur les trois lignes et une vitesse
maximale de 100 km/h.
2. Dimensionnement
2.1. Données d’entrée
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Les éléments de trafic retenus pour le dimensionnement des lignes à l’horizon 2035 sont les suivants:
• la ligne bleue a une charge dimensionnante estimée de 39 800 voy/h.
• la ligne verte a une charge dimensionnante estimée de 16 900 voy/h sur le tronçon Pleyel –
Versailles et de 7 600 voy/h sur la partie sud (Versailles - Orly).
• la ligne rouge a une charge dimensionnante nécessaire de 30 400 voy/h
Par ailleurs, sur la base des spécifications techniques d'un train MP05 de 6 voitures on en déduit la
capacité d'un matériel neuf de 8 voitures, soit 960 voyageurs avec 4 voyageurs debout par m².
2.2. Intervalle d’exploitation
L'offre de transport est reliée à l'intervalle et à la capacité unitaire d'un train. En se référant aux
charges maximales des données de trafic, les intervalles nécessaires sont les suivants :
Charge
maximale Intervalle
Ligne bleue 39 800 voy/h 85 s 1 min 25 s
Ligne verte (nord) 16 900 voy/h 200 s 3 min 20 s
Ligne verte (sud) 7 600 voy/h 450 s 7 min 30 s
Ligne rouge 30 400voy/h 112 s 1 min 52 s
Ces valeurs correspondent à des offres de transport évaluées selon le modèle de prévision de trafic à
l’horizon 2035. Leur prise en considération conduit à prévoir les dessertes suivantes :
• Pour la ligne bleue, on retiendra un intervalle d'exploitation de 85 secondes.
• Pour la ligne verte, du fait du tronc commun entre Pleyel et Roissy, on retiendra entre Rueil et
Roissy un intervalle double de l'intervalle dimensionnant de la ligne bleue, soit 170 secondes. Cet
intervalle est compatible avec le trafic dimensionnant de ce tronçon nord.
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• De ce fait, l'intervalle de la ligne verte entre Versailles et Orly devient égal au double de ce dernier
intervalle, soit 340 secondes. Cet intervalle est compatible avec le trafic dimensionnant de ce
tronçon.
• La ligne rouge est autonome et l'intervalle d'exploitation retenu est de 100 secondes dans cette
étude ce qui donne une offre à 34 560 voy/h pour 30 400 voy/h max.
2.3. Dimensionnement du parc de matériel roulant
A partir de ce schéma de principe et de l’intervalle d’exploitation défini, le calcul du
dimensionnement du parc peut être réalisé. Le tableau suivant en donne la synthèse.
• La longueur de la ligne et le nombre de stations sont issus du document de référence du
dossier du maître d’ouvrage ;
• Il est basé sur l’exploitation d’un matériel roulant pneumatique de type MP05 à 8 voitures
120 mètres ;
• La vitesse maximale est de 100 km/h, atteignable en tout points (aucune restriction de
vitesse).
ROUGE
VERTE longue
(Orly / Roissy
VERTE courte
(Versailles / Roissy)
TOTAL VERTE
BLEUE
(Orly / Roissy)
BLEUE courte
(Orly / Pleyel)
TOTAL BLEUE
TOTAL Réseau
longueur de la course km 58,9 76,3 49,7 76,3 49,2 27,6 49,2
nombre total de gares 21 15 12 15 19 15 21
longueur moyenne inter gares km 2,9 5,4 2,3
Durée course marche pratique mn 58,3 62,9 62,9 3126 52,3
Vitesse commerciale km/h 60,7 73,2 56,5
Intervalle d'exploitation s 100 340 340 170 170 170 85
Parc matériel en circulation 72 23 16 39 38 26 64
Réserve exploitation 2 2 2
Parc matériel exploitation 74 41 66
Réserve maintenance 11 7 9
Parc total 85 48 75 208
2.4. Estimation de la production de service
La méthode utilise en référence la structure d'offre de la ligne 14, ce qui conduit au tableau de
calcul suivant :
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Jour Ouvrable HIVER
L i Départs T km / jour
1,05 x T km /
jour Tk / An
km secondes Tkm Tkm MTkm
ROUGE 59,3 100 951 56 394 59 214 18,9
VERTE longue
(Orly / Roissy 76 340 280 21 280 22 344 7,2
VERTE courte
(Versailles / Roissy) 49,4 340 280 13 832 14 524 4,6
TOTAL VERTE / / / 35 112 36 868 11,8
BLEUE
(Orly / Roissy) 48,9 170 556 27 188 28 548 9,1
BLEUE courte
(Orly / Pleyel) 27,6 170 556 15 346 16 113 5,2
TOTAL BLEUE / / / 42 534 44 661 14,3
M14 8,6 105 900 7 740 8 127 2,6
Coefficient de passage à l'année : 320
Soit en synthèse, le nombre de Tkm annuels (en MTKM)
Ligne rouge 18,9
Ligne verte 11,8
Ligne bleue 14,3
Total mgp 45,0
Ligne 14 (pour comparaison) 2,6
L'ordre de grandeur de la production kilométrique du Métro Grand Paris est supérieur de 17 fois celle
de la ligne 14F
1
F.
3. Caractérisation des terminus
Les terminus sont un point essentiel d’une ligne de métro. C’est à partir de cette gare que l’on
construit l’horaire, retourne les trains, effectue la liaison aux ateliers. Grâce au battement, la marge
d’exploitation en terminus l’exploitant dispose de sécurités pour exploiter ces lignes dans de bonnes
conditions. Le terminus est un donc un élément important de la stabilité d’une ligne (plus qu’une
station classique). Correctement dimensionné, il permet de fluidiser l’exploitation, de ne pas
propager des retards et cadencer convenablement les trains. Si il est mal conçu, il peut vite devenir
un maillon faible du réseau et devenir une source de retard en ligne.
3.1. Lignes bleue et verte
Les lignes bleue et verte possèdent un tronc commun à partir de Pleyel. Pour la définition des
terminus, il est donc opportun de considérer ces lignes comme un seul ensemble ce qui en fait une
ligne à fourche.
1 Le rapport des longueurs entre la ligne 14 et le Métro Grand Paris est d'environ 1 à 20.
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3.1.1. ROISSY et ORLY ligne bleue
Les terminus de Roissy et d’Orly ligne bleue, sont les terminus à plus fort trafic avec un intervalle
d’exploitation de 85 secondes. Ce sont également là où le plus de trains seront remisés (46 pour
Roissy et 51 pour Orly) et donc où les manoeuvres en arrière gare seront les plus importantes. Enfin,
ils seront tous deux reliés à des ateliers de très grande envergure ainsi qu'à un AMT.
Concernant leur exploitation ils ont tout deux la particularité d’avoir deux types de missions au
départ :
• A Roissy les trains verts ont pour missions Versailles ou Orly ligne verte et les trains bleus ont
pour mission Orly ligne bleue
• A Orly les trains bleus sont divisés en deux types de missions. Les trains bleu foncé ont pour
mission Roissy et les trains bleu clair ont pour mission Pleyel.
Afin d’exploiter ces terminus dans de bonnes conditions pour être en mesure d’assurer un niveau de
service élevé, ces deux terminus sont configurées en terminus à trois voies spécifique :
Configuration du terminus de Roissy et d’Orly ligne bleue
Ce terminus particulier est de type trois voies en possédant les caractéristiques d’un terminus à 4
voies. Il comporte deux quais d’arrivée et deux quais de départ qui permettent une absorption des
trains même avec un intervalle dégradé. De plus cette configuration offre un temps de battement
important sans altérer le temps de retournement des trains. Enfin, grâce à ces quais « décalé »
l’emprise en largeur par rapport à un terminus à 3 voies traditionnel est moins importante. En
fonction du nombre de train à remiser, on prolonge le tunnel à deux voies de la longueur souhaitée.
3.1.2. Orly ligne verte
Le terminus d’Orly ligne verte sera exploité avec un intervalle modeste de 340 secondes. On peut
donc admettre une configuration à deux voies plus classique.
Configuration du terminus d’Orly ligne verte
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En fonction du nombre de train à remiser, on prolonge le tunnel à deux voies de la longueur
souhaitée.
3.1.3. Terminus intermédiaire de la ligne verte : Versailles.
Le terminus intermédiaire de la ligne verte va également être exploité avec un intervalle important.
Les trains arriveront toutes les 170 secondes et un sur deux sera retourné. Cela laisse normalement le
temps d’effectuer la manoeuvre de retournement sans avoir besoin d’une voie supplémentaire. Si l’on
admet que les 7 trains prévus à remiser ne seront pas garés en heure creuse, il ne sera pas nécessaire
de prévoir une surface dédiée de remisage, les trains seront garés sur voie principale une fois le
service terminé.
Même si l’intervalle est élevé, compte tenu des contraintes de la construction de l’horaire, il faut un
terminus permettant de faire stationner les trains tournant pour des raisons de construction
d’horaire (calage des courses). De plus, si l’on anticipe sur augmentation de l’offre de transport entre
Versailles et PLeyel Jonction, il faut dès à présent prévoir sur l’infrastructure une telle disposition qui
sera compatible avec une réduction de l’intervalle des trains tournant.
Configuration de la station Versailles, terminus intermédiaire de la ligne verte
3.2. Ligne rouge
La ligne rouge qui s’étend de La Défense au Bourget est une ligne indépendante. C’est donc une
ligne plus « classique » qui est cependant longue de 59 km (environ 7 fois la ligne 14). Son intervalle
d’exploitation est défini à 100 secondes. On peut le qualifier d’important comparé aux 85 secondes
de la ligne bleue. Par contre il est patent que cette ligne possède un fort potentiel de croissance et
qu’une exploitation avec un intervalle de 90 secondes est à envisager.
Compte tenu des problématiques d'insertion d'une nouvelle station à La Défense, seul un terminus
de largeur minimal pourra être implanté. La figure suivante présente donc une configuration à deux
voies avec un trottoir plus éloigné du quai permettant de disposer d’un battement suffisant.
Pour le second terminus, Le Bourget, en fonction des contraintes d’insertion il peut être plus
intéressant de disposer d’un terminus à 3 voies comme celui défini pour Roissy et Orly Ligne bleue.
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Ceci se justifie au regard de l’intervalle pratiqué de 100 secondes et de la longueur importante de la
ligne proche de 60 km. Ainsi, la ligne rouge est également préparer une future augmentation de
l’offre avec un terminus offrant une grande robustesse et permettant aisément l’absorption des
micros perturbations côté Le Bourget tandis que La Défense est dotée d’un terminus plus classique.
4. Noeud de Pleyel
Le noeud ferroviaire de Pleyel est un des aspects majeurs du Métro Grand Paris. Les fonctions de
cette station sont rappelées ci-dessous :
• Assurer la convergence entre les lignes bleue et verte en direction de Roissy Charles De
Gaulle avec un intervalle de 85 secondes en horaire de pointe ;
• Permettre le retournement d’un train sur deux de la ligne bleue, ce qui correspond à un
intervalle de 170 secondes entre chaque train tournant ;
• Permettre le remisage d’un certain nombre de trains de la ligne bleue ;
• Permettre la mise en place de Service Provisoire afin d’isoler chaque ligne en cas d’incident
important ;
• Éviter au mieux qu’un incident sur une ligne se propage sur l’autre.
De plus, il également envisagé de pouvoir retourner un train sur deux également sur la ligne verte car
une augmentation de l’offre de transport entre La défense et Pleyel Jonction peut être à prévoir.
Afin d’assurer toutes ces fonctionnalités avec un niveau de service élevé, une configuration
spécifique est nécessaire pour ce noeud ferroviaire. Il convient absolument de séparer les fonctions
de convergence des lignes bleue et verte des fonctions retournement des trains.
De plus il est nécessaire de pouvoir disposer d’un quai dédié pour chaque type de mission afin
d’augmenter la marge d’exploitation à cet endroit (on double ainsi l’intervalle à quai).
Enfin, pour une simplicité d’orientation des flux, il est également recommandé de disposer de quais
unidirectionnels.
Le second aspect important à prendre en compte pour le dimensionnement concerne la convergence
nord. Celle-ci est située juste après la station Pleyel en direction de Roissy Charles de Gaulle permet
d’assurer le raccordement des trains verts (venant de La Défense) et des trains bleus (venant de Paris)
à un intervalle de 85 secondes. Un sas de régulation placé en aval de la convergence permet de
disposer d’une double voie pour « lancer » les trains à leur vitesse optimale et ainsi passer la fourche
en débloquant la zone de la convergence le plus rapidement possible. Il est également possible sur la
longueur de cette double voie d’effectuer une régulation en amont de la convergence en ralentissant
un train avant le point de rencontre. Il a été calculé que la solution optimum pour cette convergence
était de la franchir à 60 km/h ce qui conduit à disposer l’appareil de voie à environ 200 mètres de la
gare.
La figure suivante illustre le schéma fonctionnel de cette station avec ses deux terminus
intermédiaires. Compte tenu des contraintes d’insertion urbaine, la station est définie sur deux
niveaux.
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Représentation de la gare de Pleyel avec les trains de missions différentes
L’étude de simulation réalisée, a permis de conclure que ce noeud ferroviaire, point stratégique du
réseau est robuste aux micros perturbations classiques d’une ligne automatique et reste stable même
face à des retards conséquents.
5. Matériel roulant et vitesse maximale
Le Métro Grand Paris, par ses caractéristiques, se veut être un réseau intégré. Une certaine
homogénéité des matériels roulant est donc requise. Comme, la ligne bleue est le prolongement de
l’actuelle ligne 14 au nord et au sud, le choix s’est porté sur un matériel pneumatique type
MP89/MP05 pouvant circuler à 100 Km/h. Ce matériel comportera 8 voitures et sa capacité sera de
960 voyageurs (sur la base d'un ratio de 4 voyageurs debout/m²).
Toutefois, l’étude [MOT D 2009-5263] montre qu’une optimisation de la vitesse peut être
intéressante. En effet les lignes sont relativement longues avec de grandes inter gares. Ceci milite
pour une augmentation de la vitesse maximale qui a pour avantage d’augmenter la vitesse
commerciale et donc faire baisser corrélativement la taille du parc de matériel. L’étude a montré que
l’augmentation de la vitesse maximale sur le Métro Grand Paris est très intéressante jusqu’à un
certain niveau. Sur les lignes bleue et rouge, l’augmentation du polygone est pertinente jusqu’à 100
km/h. Il n’est donc pas nécessaire de prévoir une vitesse plus élevée sur ces deux lignes. Sur la ligne
verte qui comporte les inter gares les plus longues il pourrait être judicieux d’élever la vitesse
maximale à 120 km/h. Toutefois, sur le tronc commun entre Pleyel et Roissy, il est nécessaire que
tous les trains aient la même vitesse maximale.
6. Système d’exploitation des trains
Aujourd’hui les systèmes d’exploitation moderne assurent à la fois les fonctions de contrôle
commande des trains et de régulation. Le PCC et le système de conduite sont donc étroitement liés
et sont définis fonctionnellement ensemble. Le Métro Grand Paris, par ses caractéristiques de lignes
très longues possède des points de ressemblance avec un métro express tout ayant des intervalles
d’exploitation très faibles.
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Afin de pouvoir exploiter de telles lignes avec un intervalle minimum de 85 secondes, il faudra un
système de contrôle commande très performant, c'est-à-dire avec un intervalle dynamique le plus
faible possible. Ainsi la marge d’exploitation n’en sera que supérieure. Le graphique ci-après décrit la
composition des temps de l’intervalle d’exploitation.
L’intervalle dynamique spécifié est de 35 secondes au maximum pour un matériel de type
pneumatique de 120 mètres ayant un freinage de service de 1,1 m/s2. Ainsi pour un intervalle
d’exploitation de 85 secondes avec un temps de stationnement de 30 secondes, la marge
d’exploitation sera de 20 secondes (similaire à celle de la ligne 14 aujourd’hui). Cette marge est
nécessaire pour absorber les micros perturbations de la ligne.
Un système de conduite de type cantonnement mobile (moving block) est souhaité. Il permet un
intervalle optimal en tout point du parcours d’un train (qui est fonction de la position du train le
précédent et des points d’arrêts d’exploitation). Il n’existe donc plus de cantonnement fixe (physique
ou virtuel) avec un tel système ce qui permet d’avoir l’intervalle dynamique le plus faible possible.
La partie régulation du système de contrôle commande devra être spécifiée avec beaucoup de soin,
de sorte à disposer d’un système performant. Une régulation type ligne 14 qui autorise les trains en
retard à se mettrent en marche accélérée lorsque ils sont en retard est par exemple à intégrer tout en
l’optimisant.
Aux points clefs du réseau comme la convergence de Pleyel, une régulation spécifique devra être
mise en place afin de faire converger les trains avec l’intervalle le plus régulier possible quitte à
augmenter les marges de régulation dans de tels endroits.
7. Exploitabilité des lignes bleue et verte
Le Métro Grand Paris a été modélisé et simulé via l'outil de simulation dynamique OpenTrack. Il est
capable de reproduire un horaire, et de le simuler en lui intégrant des perturbations aléatoires. Avec
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cet outil, on dispose d’un modèle réaliste (infrastructure, matériel roulant et système de conduite
modélisés) qui permet de créer des scénarios de simulation d’exploitation en fonction des besoins.
Sur la base d'un certain nombre d'hypothèses relatives à la topologie de l'infrastructure et aux
principes d'exploitation, il est possible de conclure que l'exploitation des lignes bleue et verte du
Métro Grand Paris avec la programmation de circulations à 90 secondes d'intervalle entre Pleyel et
Roissy, présente un caractère de stabilité et de robustesse laissant raisonnablement espérer une
qualité de service d'un niveau équivalent à celui de la ligne 14 actuelle.
Le passage à un intervalle d'exploitation de 85 secondes dans le tronc commun ne remet pas en
cause l'exploitabilité du réseau. Cet intervalle semble correspondre à un minimum au dessous duquel
il convient de ne pas descendre, au risque d'avoir à gérer un système instable et une ponctualité de
plus en plus dégradée.
Ces deux simulations ont été réalisées sous la base d’hypothèse d’un système de conduite de type
« moving block » offrant un intervalle dynamique de 35 secondes au maximum. Le temps de
stationnement a été pris de 30 secondes sur l’ensemble des stations. La marge d’exploitation restante
était donc de 25 secondes pour la simulation à l’intervalle de 90 secondes et de 20 secondes pour la
simulation à 85 secondes. Pour comparaison, on estime aujourd’hui que la marge d’exploitation de la
ligne 14 est de 20 secondes.
Il convient de noter que ces simulations dynamiques ont montré un certain déséquilibre entre les
trains bleus et les trains verts. En effet, la diminution de l’intervalle d’exploitation ayant
essentiellement un effet significatif sur le tronc commun, l’intervalle et le retard entre les trains
bleus et verts n’est plus homogène à Pleyel où ils convergent (les trains verts sont beaucoup moins
déstabilisés que les trains bleus). Cet aspect milite vraiment pour une conception adaptée de ce
noeud ferroviaire avec un quai dédié offrant plus de marge d’exploitation, ainsi que des algorithmes
de régulation spécifiques pour ces deux convergences (nord et sud). Concernant l’intervalle
d’exploitation, le taux d’irrégularité reste acceptable, même avec un intervalle de 85 secondes. En
mettant en place une régulation plus performante que celle utilisée dans la modélisation, le taux de
performance devrait donc être acceptable. Par exemple aux gares, où la régularité serait trop faible il
pourrait être envisageable d’augmenter la marge de régulation tout en la diminuant dans les inter
gares ou elle n’est pas utile (comme en sortie de terminus).
