Functional modeling of autonomous train operation (ATO) systems

Abstract

The work addresses the problem of limited capacity and operational instability on high-speed railway corridors, motivated by the need to increase the number of trains per hour on the Paris–Lyon line without compromising safety, regularity, or energy efficiency under the European Railway Traffic Management System (ERTMS) Level 2 standards. It proposes the use of Automatic Train Operation (ATO) at Grade of Automation 2 as a technological solution to reduce variability in driving behavior, mitigate the so-called “accordion effect,” and enable shorter headways between trains. To investigate this potential, the study develops a functional and modular simulation model of train circulation that represents the interaction between trains, infrastructure, and signaling systems. The implementation relies on MATLAB/Simulink and integrates detailed train dynamics, supervision logic through the European Vital Computer, traffic management by a Radio Block Center, and two modes of operation: manual driving based on behavioral models calibrated with real operational data, and automated driving based on both an ideal reference controller and a Model Predictive Control strategy. The methodology follows a data-driven, scenario-based approach that iteratively refines the models and evaluates performance under different traffic conditions, departure intervals, and disturbance levels, using metrics such as timetable adherence, headway stability, and capacity potential. The results demonstrate that ATO can improve operational regularity, reduce unnecessary braking and acceleration cycles, and allow a reduction in departure intervals while maintaining safety margins, thereby increasing effective line capacity. The study delivers a quantitative and reproducible framework that supports decision-making on ATO deployment, providing value to railway operators and infrastructure managers by clarifying expected gains, limitations, and conditions for successful implementation.

O trabalho aborda o problema da limitação de capacidade e da instabilidade operacional em corredores ferroviários de alta velocidade, motivado pela necessidade de aumentar o número de trens por hora na linha Paris–Lyon sem comprometer a segurança, a regularidade ou a eficiência energética sob os padrões do Sistema Europeu de Gestão do Tráfego Ferroviário (ERTMS) Nível 2. Propõe-se a utilização da Operação Automática de Trens (ATO) no Grau de Automação 2 como solução tecnológica para reduzir a variabilidade no comportamento de condução, mitigar o chamado “efeito sanfona” e permitir menores intervalos de separação (headways) entre trens. Para investigar esse potencial, o estudo desenvolve um modelo de simulação funcional e modular da circulação de trens que representa a interação entre trens, infraestrutura e sistemas de sinalização. A implementação baseia-se em MATLAB/Simulink e integra dinâmica detalhada do trem, lógica de supervisão por meio do Computador Vital Europeu (EVC), gestão de tráfego por um Centro de Bloqueio por Rádio (RBC) e dois modos de operação: condução manual baseada em modelos comportamentais calibrados com dados operacionais reais e condução automatizada baseada tanto em um controlador de referência ideal quanto em uma estratégia de Controle Preditivo por Modelo (MPC). A metodologia segue uma abordagem orientada por dados e baseada em cenários, refinando iterativamente os modelos e avaliando o desempenho sob diferentes condições de tráfego, intervalos de partida e níveis de perturbação, utilizando métricas como aderência ao horário, estabilidade dos intervalos entre trens e potencial de capacidade. Os resultados demonstram que o ATO pode melhorar a regularidade operacional, reduzir ciclos desnecessários de frenagem e aceleração e permitir a redução dos intervalos de partida, mantendo as margens de segurança e, assim, aumentando a capacidade efetiva da linha. O estudo apresenta uma estrutura quantitativa e reprodutível que apoia a tomada de decisão sobre a implantação do ATO, oferecendo valor a operadores ferroviários e gestores de infraestrutura ao esclarecer ganhos esperados, limitações e condições para uma implementação bem-sucedida.