Comment est née une innovation pour le train (et 2)

Comme nous l’avons vu dans l’article précédent, surveiller le contact du pantographe avec la caténaire est très nécessaire. Il peut être résolu de plusieurs manières, même si jusqu’à présent aucune des solutions disponibles n’est optimale.

La première difficulté qui se présente n’est pas technique. Le fil de contact et le pantographe sont la propriété de différents agents. Généralement, le premier provient d’un gestionnaire d’infrastructure. La seconde, d’un opérateur de transport. Le premier a des incitations pour protéger son investissement : un pantographe mal réglé peut provoquer une casse ou un accroc. Le fil est posé en sections continues d’une longueur maximale de 1,4 kilomètre. S’il se brise, cela peut entraîner un problème grave pour l’ensemble du système. Le train coincé doit être secouru avec une locomotive diesel. La circulation serait interrompue jusqu’à ce que la caténaire puisse être remplacée en cas d’urgence.

De son côté, le propriétaire du train semble avoir moins d’enjeux. En principe, usez à l’avance les bandes de frottement de votre table de nuit. En cas de panne, un train s’arrête. Et s’il s’avère que le problème est dû à une mauvaise régulation du pantographe, il y aura obligation de faire face à une réclamation financière de la part du gestionnaire de l’infrastructure. Celui-ci devra indemniser, à son tour, d’autres opérateurs éventuellement concernés. Mais en être sûr n’est pas si simple.

Les propriétaires du fil et ceux des trains ont des points de vue différents sur la question de la régulation des pantographes. Appelons alors le chat et vérifions ce qui se passe réellement au lieu de croire que ce qui a été fait il y a des mois avec le train dans un atelier est toujours correct ou pertinent aujourd’hui. Mesurons ce déplacement. Mais d’où ?

Mesures depuis le train

Une possibilité serait de le faire depuis le train. En nous plaçant sur le pantographe lui-même, il ne semble pas trop compliqué de mesurer la force qui est appliquée directement. Je dis « cela ne semble pas être le cas » parce que, en réalité, c’est le cas. Comme presque tout dans la vraie vie. L’environnement du pantographe est exposé aux éléments et est également soumis à des contraintes électriques. Cela rend tout difficile. Sans oublier que « faire plus difficile » et « plus cher » sont pratiquement synonymes dans le langage des ingénieurs. À ce stade, il est bon de rappeler que le propriétaire du train est celui qui est le moins incité à investir de l’argent dans un problème qui n’est pas, à proprement parler, le sien.

Une solution embarquée, en revanche, permet de surveiller ce qui se passe à tous les points de passage du train. Mais pas ce qui se passe avec les autres trains ou ce qui se passe à un moment donné après que le train l’a quitté.

Mesures depuis la route

L’alternative est une solution fixe, au bord de la piste (littéralement, à côté de la route). Un capteur situé à un endroit précis de l’infrastructure peut contrôler tous les trains qui passent. Théoriquement, il peut également mesurer le comportement du système avant et après le passage d’un train. En échange, vous ne pourrez pas savoir ce qui se passe ailleurs à moins que nous installions davantage de capteurs.

Quelle est la meilleure solution ? Toutes! Ils ne sont pas exclusifs. Dans le monde réel, cependant, nous sommes limités par les ressources financières disponibles. En admettant que le problème concerne davantage le gestionnaire de l’infrastructure ferroviaire, on constatera qu’il dispose de certains trains de surveillance avec leurs pantographes sensoriels. Il disposera également d’un parc de capteurs fixes installés aux points clés du réseau. Mais ils ne pourront pas non plus parcourir en permanence tous les kilomètres de ligne électrifiée à surveiller, ni les autres couvrir tous les endroits qu’il serait souhaitable de contrôler. Parce que ces capteurs sont traditionnellement imprécis aux vitesses commerciales. Ou très cher.

Capteurs avec et sans contact

Les capteurs fixes qui existent aujourd’hui sont classés en deux types : ceux qui effectuent la mesure avec contact et ceux qui l’effectuent sans contact. Les premiers sont moins chers, mais la nécessité d’une liaison mécanique avec des éléments caténaires sous tension électrique les rend problématiques. Sans parler du manque de fiabilité lié au fait d’être basé sur des systèmes à pièces mobiles. Les capteurs sans contact peuvent être basés sur des systèmes de vision artificielle ou des équipements de mesure de distance utilisant la technologie laser. Les premiers nécessitent des spots infrarouges pour garantir des mesures uniformes de jour comme de nuit. Ces derniers nécessitent un composant passif sur le fil de contact, un petit réflecteur, sur lequel un faisceau laser se réfléchit et enregistre sa distance parcourue par triangulation.

C’est là qu’interviennent deux améliorations qui m’ont permis de créer un capteur de contact pantographe-caténaire nouvelle génération. D’une part, les progrès récents dans les capteurs de distance laser à triangulation ont permis d’augmenter la distance de travail des équipements sans perdre en précision – submillimétrique – dans la mesure. Cela facilite la conception de solutions avec des parties actives suffisamment éloignées de toute tension électrique dans la caténaire.

Deuxième amélioration fondamentale : un nouveau type de réflecteur passif de forme dièdre. Associé à une partie active à deux capteurs laser, il est possible de profiter de la géométrie pour proposer des lectures simultanées du mouvement vertical et transversal du fil de contact au passage d’un ou plusieurs pantographes.

Améliorations clés

Les capteurs de courant offrent un niveau maximum de mouvement du fil, et uniquement verticalement. Mon prototype de capteur, qui peut être installé dans des endroits très variés, en profitant des poteaux existants ou sur des supports spécifiques, offre des mesures en continu, permettant de déterminer le comportement ondulatoire complet du fil de contact pour des trains comportant un nombre arbitraire de pantographes, passer à n’importe quelle vitesse. L’échantillonnage du signal laser, réalisé à des fréquences de l’ordre de plusieurs kilohertz, assure un fonctionnement parfait à toute vitesse commerciale actuelle ou future.

Comme d’autres capteurs de la même catégorie, mon prototype intègre également une station météo qui permet de qualifier les données enregistrées par rapport à l’intensité du vent latéral pouvant affecter la caténaire. Ainsi, il est possible de prendre en compte simultanément tous les effets climatiques, tout en enregistrant les conséquences des passages des pantographes.

L’ensemble du système est alimenté par l’énergie solaire et ses données sont récupérées via un modem 4G intégré, ce qui le rend totalement indépendant de toute infrastructure de support. À son tour, le système contient des capteurs supplémentaires pour vérifier la qualité de la mesure, notamment une caméra IP.

Développements futurs

Ce projet a été passionnant, mais il reste encore beaucoup de travail à faire pour transformer le prototype en un produit visible installé sur tous les types de lignes ferroviaires électrifiées. Trois axes de travail sont désormais ouverts. D’une part, l’interprétation des données obtenues, dans différentes conditions climatiques et pour différents trains. Il ne fait aucun doute que les techniques avancées d’apprentissage automatique, ainsi que les techniques traditionnelles d’analyse des signaux, seront essentielles pour extraire autant d’informations que possible de l’équipe.

Un deuxième axe sera d’utiliser les données enregistrées pour alimenter des modèles de simulation multiphysiques de la caténaire : des outils informatiques qui, prenant simultanément en compte les équations mécaniques, électriques et thermodynamiques, permettront de prédire l’effet du trafic ferroviaire sur les installations. Que se passe-t-il si nous augmentons la vitesse maximale des trains ? Est-il préférable, d’un point de vue maintenance, de déplacer des compositions doubles ou plusieurs compositions simples ? Est-il vrai que différents types de pantographe affectent le fil de contact de différentes manières ? Comment les facteurs climatiques tels que le vent ou la température ambiante affectent-ils l’usure des équipements ?

Enfin, il est nécessaire d’améliorer la conception de l’équipement pour le faire passer de son état de prototype actuel à un niveau de qualité standard dans un produit ferroviaire, et le tout à un prix raisonnable.

Aucun travail valable n’est individuel.

Ce projet est né d’une idée. Mais une idée, en elle-même, n’est rien sans le bon travail de nombreuses personnes dans différentes organisations, que je cite ci-dessous sans ordre précis. Je remercie l’équipe d’ingénieurs de l’Institut Technologique de Castilla y León pour son travail ; tout particulièrement, à Jorge González de Pedro et Álvaro Galerón, ainsi qu’à Juan Pedro Pascual, Javier Álamo, Lorena Saiz et Adrián Gil, avec la collaboration de Blanca Moral dans la partie administrative et dirigée par Javier Sedano.

Le travail n’aurait pas pu avancer sans le soutien de mes collègues de l’unité Caténaire de TELICE SA, dirigée par Hugo Menéndez et avec la collaboration exceptionnelle de Rubén Gutiérrez, Pablo González, Ángel Fernández dans l’atelier et Ángel Cuenllas sur le terrain en coordonnant un équipe de l’UTE Mantenimiento Noroeste Lot 2. Le soutien inconditionnel du comité de direction de TELICE SA, et en particulier de José Miguel Gutiérrez, PDG, et de Cesáreo González du conseil d’administration, qui ont cru dès le début au potentiel de cette innovation, ils ont été essentiels. Enfin, je ne peux pas quitter sans gratitude le siège de l’Adif à León pour son intérêt et son soutien ; tout particulièrement à Julio Sánchez Corbalán, Santiago López Da Lama, Ignacio García Menéndez et Miguel de Prado Martínez.

Encore un autre exemple d’Homo sapiens. Enfant, il voulait devenir scientifique, astronaute et remporter deux prix Nobel. Au fur et à mesure qu’il grandissait, ces aspirations subirent des réductions progressives : il resta finalement ingénieur en télécommunications. Avec plus d’années d’expérience qu’il ne veut l’admettre à l’intersection du train et des technologies de l’information, il travaille actuellement dans le domaine passionnant de l’innovation ferroviaire en tant que directeur de l’innovation chez Telice, SA. Timide en cure de désintoxication et avec plus de passe-temps qu’il ne peut en compter, quand il a le temps, il écrit sur tout ce qui retient son attention : la science, l’espace, l’ingénierie, la politique…