FR3105148A1 - Systeme et procede pour la detection d’un defaut dans un rail d’une voie ferree - Google Patents

Systeme et procede pour la detection d’un defaut dans un rail d’une voie ferree Download PDF

Info

Publication number
FR3105148A1
FR3105148A1 FR1915428A FR1915428A FR3105148A1 FR 3105148 A1 FR3105148 A1 FR 3105148A1 FR 1915428 A FR1915428 A FR 1915428A FR 1915428 A FR1915428 A FR 1915428A FR 3105148 A1 FR3105148 A1 FR 3105148A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
rail
sensors
acousto
correlation
impulse response
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR1915428A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3105148B1 (fr
Inventor
Julien ALBERTINI
Bastien CHAPUIS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alstom Transport Technologies SAS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Alstom Transport Technologies SAS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Alstom Transport Technologies SAS, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority to FR1915428A priority Critical patent/FR3105148B1/fr
Priority to PCT/EP2020/085846 priority patent/WO2021130036A1/fr
Priority to US17/787,927 priority patent/US20230024577A1/en
Priority to EP20821016.1A priority patent/EP4081438A1/fr
Priority to CA3162984A priority patent/CA3162984A1/fr
Publication of FR3105148A1 publication Critical patent/FR3105148A1/fr
Priority to ZA2022/06953A priority patent/ZA202206953B/en
Application granted granted Critical
Publication of FR3105148B1 publication Critical patent/FR3105148B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L23/00—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains
    • B61L23/04—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains for monitoring the mechanical state of the route
    • B61L23/042—Track changes detection
    • B61L23/044—Broken rails
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/043—Analysing solids in the interior, e.g. by shear waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/11—Analysing solids by measuring attenuation of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/223—Supports, positioning or alignment in fixed situation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/4445—Classification of defects
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/18—Status alarms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids
    • G01N2291/0234—Metals, e.g. steel
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/0289—Internal structure, e.g. defects, grain size, texture
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/105—Number of transducers two or more emitters, two or more receivers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/262—Linear objects
    • G01N2291/2623—Rails; Railroads

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Le document décrit des procédés et des dispositifs pour la détection d’un défaut dans un rail d’une voie ferrée, comprenant: au moins deux capteurs sélectionnés parmi des transducteurs magnéto-acoustique et/ou piézoélectriques et/ou magnétostrictifs; chaque capteur étant associé à un circuit d’horodatage d’un système de positionnement par satellites GNSS; un circuit de mesure pour mesurer par lesdits capteurs les ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail, les mesures d’ondes ou signaux étant horodatés. Des développements décrivent notamment des modes actifs et passifs ; l’utilisation de passages de trains ; l’émission d’ondes ; la détermination de l’existence, puis de la position et enfin la caractérisation du défaut le cas échéant ; des placements privilégiés pour la pose des capteurs ; l’utilisation de procédés d’inter-corrélation, de filtre inverse passif ou de corrélation de coda de corrélation ; l’utilisation de robots mobiles et/ou drones ; l’utilisation de sources de bruit artificielles. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

SYSTEME ET PROCEDE POUR LA DETECTION D’UN DEFAUT DANS UN RAIL D’UNE VOIE FERREE
Domaine de l’invention
L’invention concerne le domaine de la surveillance des structures en général et du contrôle non destructif en particulier.
Etat de la Technique
Dans le secteur ferroviaire, le rail est un élément critique dont il faut surveiller l’intégrité. Soumis à des sollicitations thermomécaniques très fortes (e.g. contraintes internes à cause de la dilatation thermique contrariée, passage des trains), les portions de rail s’usent au fur et à mesure du temps et peuvent parfois être sujets à des casses franches. L’état des voies doit être surveillé pour diminuer voire supprimer les risques de déraillement.
Plusieurs approches sont connues et mises en œuvre pour surveiller l’intégrité des rails.
La détection des casses s’effectue actuellement par un système électrique appelé « circuit de voie », lequel consiste à faire circuler un faible courant électrique dans les rails. Lorsqu’un train s’engage dans une portion donnée, son essieu court-circuite les deux rails. Ce système permet ainsi de s’assurer que la voie est libre, ou qu’il n’y a pas un wagon perdu par un train précédant, et donc que le train peut s’engager dans la portion de voie. Incidemment, ce système peut détecter une partie des casses de rails (lorsque la discontinuité électrique est suffisamment importante), mais pas nécessairement tous les endommagements subis par les rails en exploitation. Toutefois, cette approche présente des limitations.
D’autres approches existent, notamment embarquées. La détection de défauts plus précoces, type fissure, se fait à l’aide d’appareils de contrôle, visuels ou par envoi de signaux (e.g. ultrasons, signaux électromagnétiques) qui sont généralement embarqués sur un train de maintenance circulant sur ou le long des voies. Pour des questions de performance de détection, ce dispositif ne peut pas circuler aux vitesses commerciales, mais bien plus lentement, ce qui cause nécessairement une gêne voire une interruption de trafic (circulation de nuit). Ce type d’approche présente de nombreux inconvénients. Etant donné le nombre de kilomètres de réseau ferroviaire à contrôler, une portion de réseau donnée est statistiquement insuffisamment contrôlée et il existe un risque significatif de casse de rail avant que l’amorce de casse ne soit détectée. Par ailleurs, ces techniques embarquées n’ont généralement accès qu’à la surface du rail, c’est-à-dire la partie supérieure de la structure (appelée champignon). Elles ne couvrent pas le contrôle des parties moyennes et inférieures du profil du rail.
Une autre approche connue pour détecter des défauts dans les rails (e.g. casse et amorce de rupture) consiste à disposer le long du rail des capteurs émettant des ondes élastiques guidées se propageant sur de longues distances (typiquement 1 km). Les ondes interagissent avec les défauts et les signaux diffractés permettent de les détecter et les localiser. Ce type d’approche est décrit dans des documents de brevet, notamment US20140238139, WO2014027977A1 et WO2015178868A1, et certains articles scientifiques, par exemple dans l’article intitulé «Large Scale Implementation of Guided Wave Based Broken Rail Monitoring». Ces technologies, et certaines variantes, sont actuellement commercialisées. Ces approches présentent néanmoins des limitations. La détection de casses franches est globalement satisfaisante mais la détection d’amorces de défauts, plus difficile, reste insuffisante. Ce problème technique fait l’objet de recherches contemporaines. Les localisations de défauts ne sont pas précises.
D’autres systèmes connus fondés également sur l’analyse d’ondes élastiques guidées sont ceux fonctionnant en «pulse-écho», permettent de détecter et de localiser le défaut via le signal réfléchi par ce défaut. Toutefois la mesure enpulse-échoseule n’est en général pas suffisante pour détecter des petits défauts (les faibles coefficients de réflexion produisent des signaux retour extrêmement faibles et non détectables). En outre, ce type d’approche ne permet pas de contrôler toute la zone située entre deux nœuds pour laquelle la distance d’écartement a été préalablement déterminée pour la mesure en transmission. Par ailleurs, ce type de système ne peut pas exploiteren même tempsles signaux en transmission et en réflexion, pour renforcer le diagnostic. Les systèmes pulse-écho connus présentent une couverture limitée, qui reste confinée proche des nœuds du réseau. Dit autrement, les petits défauts sont impossibles à détecter en pratique loin des capteurs avec les technologies actuelles.
Les technologies actuelles se caractérisent également par une fréquence de travail basse ou faible (basse fréquence, ondes longues), afin d’assurer une propagation sur les plus longues distances possibles. Par exemple, un système commercialisé connu dans le métier utilise la synchronisation par fibre optique, et serait susceptible d’utiliser le couplage pulse-écho et en transmission. Cependant, ce type de système fonctionne à une fréquence qui est trop basse, l’ajout ou le retrait de nœuds est excessivement délicat, la fibre optique est intrinsèquement fragile et impropre à des usages en environnement difficile. A ce jour, le coût de déploiement reste élevé.
Il existe un besoin industriel pour des procédés ou des systèmes pour la détection d’usure, d’amorces de casse, de casses franches de rails.
Le document décrit des procédés et des dispositifs pour la détection d’un défaut dans un rail d’une voie ferrée, comprenant: au moins deux capteurs sélectionnés parmi des transducteurs magnéto-acoustique et/ou piézoélectriques et/ou magnétostrictifs ; chaque capteur étant associé à un circuit d’horodatage d’un système de positionnement par satellites GNSS ; un circuit de mesure pour mesurer par lesdits capteurs les ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail, les mesures d’ondes ou signaux étant horodatés. Des développements décrivent notamment des modes actifs et passifs ; l’utilisation de passages de trains ; l’émission d’ondes ; la détermination de l’existence, puis de la position et enfin la caractérisation du défaut le cas échéant ; des placements privilégiés pour la pose des capteurs ; l’utilisation de procédés d’inter-corrélation, de filtre inverse passif ou de corrélation de coda de corrélation ; l’utilisation de robots mobiles et/ou drones ; l’utilisation de sources de bruit artificielles.
Avantageusement, les modes de réalisation de l’invention permettent de détecter puis de localiser une cassure sur un rail, permettant d’envoyer une alerte afin d’arrêter la circulation des trains.
Avantageusement, les modes de réalisation de l’invention permettent d’anticiper les amorces de casse (e.g. de type fissure), permettant d’anticiper une rupture prochaine et ainsi de planifier les opérations de maintenance (réparation/remplacement de la zone endommagée). Une amorce de casse peut être détectée, puis localisée, puis enfin surveillée au cours du temps. De la sorte, des ruptures de trafic pénalisantes pour les usagers peuvent être évitées.
Avantageusement, des modes de réalisation distribués deviennent possibles (e.g. échanges de pair à pair entre nœuds du réseau, découverte et reconnaissance mutuelle, etc.).
Par contraste avec les technologies actuelles fonctionnant uniquement en mode pulse-écho, les modes de réalisation de l’invention permettent avantageusement de détecter des amorces de casse sur toute la zone matérielle entre les nœuds, grâce à l’exploitation concomitante des signaux en pulse-écho et en transmission.
Les modes de réalisation de l’invention sont également avantageux en termes de maintenance (e.g. simplicité, flexibilité). Le système selon l’invention est en effet « plug-and-play » c’est-à-dire supporte l’ajout et/ou la suppression d’un nœud au réseau sans modifications conséquentes sur le reste du réseau. Ce type de modification peut d’ailleurs être effectué par voie logicielle. Par contraste, les systèmes connus sont « chaînés », i.e. nécessitent le cas échéant des opérations délicates (e.g. sur la fibre optique, en matière de routage radio, etc.). Les coûts de déploiement et de maintenance du système selon l’invention sont donc nettement réduits par rapport aux systèmes existants.
Description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit et des figures des dessins annexés dans lesquels :
La illustre un exemple de système selon l’invention;
La illustre les différents types d’ondes se propageant entre deux capteurs.
La illustre un exemple de structure d’un nœud pour la capture de signaux selon l’invention;
La montre une variation de signal mesuré en transmission entre deux nœuds espacés de 400 mètres synchronisés par GNSS.
Description détaillée
Il est décrit un système pour la détection d’un défaut dans un rail d’une voie ferrée, comprenant : au moins deux capteurs sélectionnés parmi des transducteurs magnéto-acoustique de type EMAT et/ou piézoélectriques et/ou magnétostrictifs ; chaque capteur étant associé à un circuit d’horodatage d’un système de positionnement par satellites GNSS ; un circuit de mesure pour mesurer par lesdits capteurs les ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail, les mesures d’ondes ou signaux étant horodatés.
Il est décrit un système pour la détection d’un défaut dans un rail d’une voie ferrée, comprenant: au moins deux capteurs sélectionnés parmi des transducteurs magnéto-acoustique de type EMAT et/ou piézoélectriques et/ou magnétostrictifs ; chaque capteur étant associé à un organe (ou circuit ou composant ou module ou sous-système) d’horodatage («propre à horodater» ou «configuré pour horodater») des «signaux de mesure» ou des «mesures» de «grandeurs caractéristiques» (notamment amplitude et phase; dans un mode de réalisation, seule l’amplitude est nécessaire et suffisante) d’ondes acousto-élastiques, se propageant dans le rail mesurés par ledit capteur, chaque organe (ou circuit ou composant ou module ou sous-système) d’horodatage étant propre à (configuré pour) recevoir un signal de synchronisation en provenance d’un système de positionnement par satellites GNSS .
Un circuit GNSS peut être partagé entre plusieurs capteurs.
Dans un développement, dit en mode passif, les ondes acousto-élastiques se propagent dans le rail lors du passage d’un train, et le système comprend un circuit de calcul configuré pour déterminer une fonction représentative de la réponse impulsionnelle du rail à partir des signaux de mesure, lesdits signaux étant horodatés puis synchronisés.
Le champ acousto-élastique désigne le champ des ondes mécaniques (sonores, ultrasonores etc.) qui se propagent dans un milieu solide. Contrairement au cas du fluide, il existe deux types d'ondes acoustiques pour un matériau solide. Ces ondes sont plus connues sous le nom d'ondes élastiques (cisaillement et compression-traction).
Un transducteur est un dispositif convertissant un signal physique en un autre. Il existe une grande variété de transducteurs. Pour la génération et la réception d’ondes acousto-élastiques se transmettant dans un matériau (un rail, un tube, une structure, etc), l’utilisation d’un transducteur acoustique électromagnétique (en anglais « ElectroMagneto-Acoustic Transducer », acronyme EMAT) peut constituer une alternative à l’utilisation d’un capteur piézoélectrique (acronyme PZT).
Les mesures sont effectuées sensiblement simultanément par les capteurs : la synchronisation peut être pré-arrangée (arrangée par circuits positionnés le long de la voie) ou postsynchronisée (par décalage temporel). Dans les deux cas, une horloge très précise est avantageusement mise en œuvre.
Un système de positionnement par satellites, dit GNSS (pour Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites), repose sur une constellation de satellites artificiels permettant de fournir à un utilisateur ou un circuit (par l’intermédiaire d'un récepteur portable) sa position, sa vitesse et l'heure.
Dans un mode de réalisation, les circuits GNSS sont associés avec les capteurs de manière à horodater précisément les signaux mesurés par les capteurs.
Dans un mode de réalisation, dit en mode actif, les capteurs sont configurés pour recevoir et/ou émettre des ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail. Les « signaux synchronisés » sont manipulés.
Dans un mode de réalisation, dit en mode passif (exploitation du bruit acousto-élastique ambiant), la fonction représentative de la réponse impulsionnelle constitue l’intermédiaire de calcul adapté.
Dans un développement, le circuit de calcul est configuré pour déterminer ou détecter l’existence d’un ou de plusieurs défauts dans le rail à partir des mesures synchronisées des ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail.
Une synchronisation maitrisée permet la reproductibilité du phénomène, i.e. notamment de comparer les réponses au cours du temps.
Un défaut peut être déterminé (existence, localisation, catégorie) par application de seuils prédéfinis, lesdits seuils prédéfinis étant déterminés par référence à un état réel, par exemple par rapport à un état du rail étant connu comme sain ou par rapport à un état calibré dudit rail, ou par référence à un état simulé du rail.
Dans un développement, le circuit de calcul est en outre configuré pour déterminer la position desdits un ou plusieurs défauts dans le rail à partir des mesures synchronisées des ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail.
Plus encore que l’existence d’un défaut (réponse binaire oui/non), des comparaisons de signal ou des explorations par fréquence permettent de localiser, i.e. de déterminer la position d’un défaut.
La caractérisation d’un ou plusieurs défauts, notamment en matière de nature, de taille, d’orientation dans l’espace ou de géométrie, étant réalisée par analyse d’amplitude et/ou de fréquence et/ou par analyse de la forme du signal et/ou par analyse du spectre fréquentiel des signaux de mesure et/ou de la fonction représentative de la réponse impulsionnelle du rail et/ou par identification d’un changement de mode de propagation d’au moins une des ondes se propageant dans le rail.
Il devient incidemment possible de restreindre les alertes aux seules situations où un défaut est détecté un nombre prédéfini de fois ou que les signaux mesurés excèdent des seuils ou des plages de seuils prédéfinis.
Dans un développement, le circuit de calcul est en outre configuré pour caractériser lesdits un ou plusieurs défauts dans le rail à partir des mesures synchronisées des ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail.
Dans un mode de réalisation, le procédé comprend l’étape consistant à caractériser un ou plusieurs défauts, notamment en matière de nature, de taille, d’orientation dans l’espace ou de géométrie.
Un défaut peut notamment être orienté horizontalement, ou verticalement. En fonction de l’analyse des signaux, la position et la taille peuvent être estimées. Par apprentissage ou par comparaison avec des abaques tirées de modèles mathématiques ou numériques, une caractérisation quantitative peut permettre de déterminer un type de défaut (corrosion, fissure, discontinuité, etc).
La caractérisation d’un défaut peut se faire de différentes manières, suivant les configurations. Par caractérisation, il peut être entendu qu’il est déterminé la nature du défaut (e.g. amorce de fissure, rupture franche, corrosion, …), et/ou qu’il est déterminé sa taille et/ou son orientation (e.g. orientation « moyenne » car les défauts sont rarement droits) et/ou qu’il est déterminé sa géométrie (atteignable dans le cas d’un très grand nombre de capteurs)
Dans un mode de réalisation, la caractérisation d’un défaut se fait par diagnostic différencié entre le signal reçu se transmettant via le champignon du rail et celui se transmettant via l’âme du rail. Par exemple si le signal se transmet vers une extrémité du rail et pas de l’autre, il est possible de déterminer approximativement l’étendue du défaut ainsi que sa position dans la section du rail. Dans le cas où aucun signal n’est transmis, il est probable que la rupture du rail est quasi-complète.
Les latences associées aux temps de réponse de l’électronique sont négligeables et surtout indifférentes par rapport aux délais pour établir la synchronisation et à ses propres écarts.
Dans un développement, un capteur est posé ou fixé sous le champignon du rail
L’avantage d’un positionnement à proximité du champignon réside dans le fait que les conversions de modes guidés y sont décelables. Un capteur peut être apposé au rail (capteur EMAT, ne nécessitant pas de colle), collé de manière temporaire (e.g. capteur PZT) ou permanente au rail (rail instrumenté en sortie d’usine ou sur place).
Dans un développement, un capteur est posé ou fixé sur l’âme interne et/ou externe du rail.
Les capteurs peuvent être posés des deux côtés de l’âme du rail, sur la face interne ou sur la face externe. Néanmoins, du fait de l’existence de véhicules rail-route, qui présentent des roues empiétant sur le côté externe, il peut être avantageux de poser ou fixer les capteurs sur la face interne.
L’avantage d’un positionnement sur la paroi interne de l’âme du rail réside dans le fait que les agressions extérieures sont moins probables qu’à l’extérieur. Néanmoins, les positions des capteurs peuvent être variables (soit de manière temporaire, soit de manière permanente). Par exemple certaines zones (e.g. à grande vitesse, virages, entrée de tunnel, etc) peuvent être densément instrumentées.
Par ailleurs, dans certains modes de réalisation, les capteurs et/ou les circuits d’horodatage et/ou les circuits de calcul et/ou les circuits GNSS peuvent être diversement distribués dans l’espace (e.g. existence de centres, système entièrement distribué, arrangement hiérarchique entre nœuds).
Dans un développement, la détermination d’une fonction représentative de la réponse impulsionnelle du rail est effectuée par inter-corrélation.
Pour chaque couple (A, B) de points de mesure de ce réseau, c’est-à-dire de capteurs, on effectue une corrélation du champ acoustique u mesuré simultanément sur une période de temps suffisante en A et en B.
Il est établi que la corrélation (en toute rigueur sa dérivée) converge vers une fonction représentative de la réponse impulsionnelle entre A et B si les différentes composantes du champ d’ondes respectent la condition d’équi-répartition en énergie (la répartition en phase et en amplitude des ondes est aléatoire, hypothèse dite de « champ diffus »). La réponse impulsionnelle entre A et B est l’enregistrement que l’on obtiendrait en A si une source émettait un Dirac en B.
Les conditions d’équi-répartition en énergie peuvent être obtenues lorsque les sources sont réparties aléatoirement dans le milieu ou lorsque le nombre et la répartition des sources est limité mais le milieu est très diffusant. Des démonstrations expérimentales ont montré que la convergence était obtenue dans des gammes de fréquences intéressantes pour la Surveillance de Santé des Structures (en anglais Structural Health Monitoring, SHM), soit du kilohertz à quelques mégahertz.
Par exemple, les sources de bruit naturelles dans les structures industrielles peuvent être celles associées à la couche limite turbulente en aéronautique, l’impact de vagues, les vibrations induites par les moteurs sur un bateau ou un écoulement turbulent dans un tube.
Dans la pratique cela se fait de la manière suivante : pour le couple considéré (A, B) on utilise un autre point de mesure Ci parmi l’ensemble des points disponibles. On corrèle dans un premier temps les signaux mesurés entre A et B d’une part et Ci d’autre part. Une fois les corrélations CiA et CiB effectuées, on corrèle la coda de ces signaux pour obtenir la corrélation entre A et B. Ceci pouvant être répété sur une partie ou l’ensemble des points de mesure Ci, on peut sommer l’ensemble des corrélations obtenues pour obtenir une meilleure estimation de la réponse impulsionnelle entre A et B.
De la fonction représentative de la réponse impulsionnelle obtenue par la corrélation on déduit la mesure du temps de vol entre A et B. Répétée pour tous les couples de récepteurs possibles, cette opération fournit un grand nombre de données en temps de vol que l’on peut exploiter pour effectuer une reconstruction par tomographie en vitesse de propagation.
Dans un développement, la fonction représentative de la réponse impulsionnelle est obtenue par un procédé de filtre inverse passif.
Dans un mode de réalisation, l’étape consistant à déterminer par filtre inverse passif, une fonction représentative de la réponse impulsionnelle de la structure à analyser comprend les étapes consistant à (i) découper les signaux mesurés sur tous les capteurs en une pluralité de sous-vecteurs ou pseudos-sources et (ii) décomposer en valeurs singulières des matrices de propagation monochromatique.
Dans un mode de réalisation, les valeurs singulières qui sont obtenues peuvent être partitionnées dans deux groupes, un premier groupe de valeurs représentatives de l’information physique d’intérêt et un second groupe de valeurs (qui peuvent ultérieurement être mises à zéro). Différentes méthodes permettent de déterminer la valeur de seuillage (en particulier selon les régimes de décroissance des valeurs singulières lorsqu’elles sont ordonnées).
Dans un développement, le procédé de filtre inverse passif FIP correspond aux étapes consistant à : a) découper temporellement le signal temporel mesuré en une pluralité de sous-vecteurs ou pseudos-sources; b) décomposer en valeurs singulières des matrices de propagation monochromatique déterminées à partir des pseudos-sources dans le domaine fréquentiel; c) obtenir la fonction représentative de la réponse impulsionnelle dans le domaine temporel par transformée de Fourier inverse.
Dans un mode de réalisation, l’étape consistant à déterminer par filtre inverse passif des fonctions représentatives de la réponse impulsionnelle de la structure pour chacun des couples de capteurs interrogés, comprend les étapes consistant à : - recevoir les signaux de mesure du champ élastique diffus depuis les N capteurs physiques FBG et/ou PZT et/ou EMAT de manière sensiblement simultanée, le champ élastique diffus ne respectant pas nécessairement une condition d’équipartition en énergie, lesdites mesures déterminant une pluralité de vecteurs temporels ;- diviser lesdits vecteurs temporels en une pluralité de sous-vecteurs ou pseudos-sources ;- pour chacune des pseudos-sources, effectuer une transformée de Fourier en fréquence w ; - pour chaque fréquence w : 1) déterminer la matrice de propagation monochromatique H(w) reliant les pseudos-sources aux points de mesure ; 2) déterminer une pluralité de valeurs singulières par décomposition en valeurs singulières de chaque matrice H(w) ; 3) ordonner et seuiller lesdites valeurs singulières en un premier groupe de valeurs représentatives de l’information physique d’intérêt et un second groupe de valeurs mises à zéro ; 4) déterminer N^2 fonctions représentatives de la réponse impulsionnelle de la structure (une pour chacun des couples de capteurs physiques réels) ; - déterminer N^2 fonctions temporelles représentatives de la réponse impulsionnelle de la structure en concaténant les transformées de Fourier inverse des N^2 fonctions représentatives de la réponse impulsionnelle calculées dans le domaine fréquentiel.
Les sous-vecteurs peuvent être appelés des « pseudos-sources »
Dans un développement, la fonction représentative de la réponse impulsionnelle est obtenue par corrélation de coda de corrélation (C3).
Dans un développement, la mesure par corrélation comprend une corrélation de coda de corrélations entre capteurs. Ce développement entièrement optionnel optimise le dispositif, puisqu'il rend plus aisé la disposition de X sur la structure. Par suite, les temps nécessaires à la mise en place peuvent être réduits, les erreurs de positionnement des points de mesure minimisés, etc. La "corrélation de coda de corrélations" consiste, pour un couple de points de mesure A et B, à choisir un point de mesure quelconque Ci sélectionné parmi l'ensemble des points de mesure (sauf A et B); à corréler les mesures pour chacun des points A et B avec ce point de mesure quelconque Ci; à corréler la coda de ces corrélations pour obtenir la corrélation entre les points de mesure A et B. Il est possible de répéter l'opération pour une partie ou l'ensemble des points de mesure Ci possibles et de sommer les corrélations obtenues pour obtenir une corrélation entre A et B avec une meilleure fiabilité. Tout ceci peut être appliqué sur tout ou partie des couples possibles de capteurs.
Dans un développement, un ou plusieurs capteurs sont amovibles.
En particulier, un mode de réalisation avantageux réside dans le fait de disposer de capteurs amovibles, qui peuvent par exemple être enlevés lors d’opérations de maintenance.
En substitution de voies instrumentées, ou en complément, des robots mobiles peuvent parcourir le long de la voie ferrée (déplacement sur le rail ou à proximité, par câble, chenilles, roues, etc). Des drones peuvent également être employés. Avantageusement, les capteurs EMAT ne requièrent pas un positionnement très précis par rapport au rail.
Dans un mode de réalisation, la caractérisation d’un ou plusieurs défauts est obtenue en faisant varier une ou plusieurs positions des capteurs et/ou en sélectionnant des capteurs parmi une pluralité, lors de différentes itérations de l’étape de détermination, chaque étape de détermination étant réalisée à partir des signaux de mesure issus des capteurs sélectionnés.
La multiplication des capteurs améliore le traitement du signal et par suite la détection et la localisation des défauts de structure. Les capteurs ont un coût et il existe des compromis calculables.
Dans un développement, un ou plusieurs capteurs sont mobiles.
Plus encore que des capteurs amovibles, un mode de mode de réalisation avantageux réside dans le fait que les capteurs soient mobiles. Ceci permet d’étudier différentes portions de voie, de revenir à certains endroits, etc. Les moyens utilisés pour apporter de la mobilité sont divers : des robots roulants peuvent être utilisés et/ou des drones. Il est également possible d’utiliser des capteurs embarqués (par exemple porté par un même train e.g. le premier capteur étant à l’avant du train et le second capteur étant à l’arrière du train). Il est également possible d’utiliser deux trains se suivant.
Dans un développement, l’alimentation en énergie est fournie par des systèmes dynamos rechargés par le passage des trains sur la voie ferrée et/ou un ou plusieurs panneaux photovoltaïques et/ou un ou plusieurs mâts éoliens.
Dans un développement, un circuit de calcul ou de traitement du signal est associé à des ressources de calcul et/ou de mémoire locales et/ou accédées à distance.
Dans un développement, le système comprend en outre une ou plusieurs sources de bruit artificielles.
Dans un mode de réalisation, dans le mode passif, le système comprend en outre une ou plusieurs sources de bruit élastodynamique comme des transducteurs piézoélectriques configurés pour compléter de manière active l’inspection passive par ondes guidées.
Dans un mode de réalisation, les ondes acousto-élastiques suivent des (ou proviennent de) différents chemins de propagation dans le rail, et les mesures sont effectuées en pulse-echo, ou en transmission, depuis des capteurs placés sur l’âme du rail et/ou sous le champignon du rail.
Il est décrit un procédé pour la détection d’un défaut dans un rail d’une voie ferrée, instrumentée d’au moins deux capteurs sélectionnés parmi des transducteurs magnéto-acoustique de type EMAT et/ou piézoélectriques et/ou magnétostrictifs, le procédé comprenant les étapes consistant à:
- recevoir un signal de synchronisation en provenance d’un système de positionnement par satellites GNSS ;
- horodater des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail mesurés par lesdits capteurs.
Il est décrit un produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer une ou plusieurs étapes du procédé, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
Dans un mode de réalisation, le système comprend une pluralité de capteurs appariés.
Dans un mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend l’étape consistant à comparer les fonctions représentatives de la réponse impulsionnelle du rail déterminées lors de différentes étapes de détermination réalisées lors de passages successifs de trains ou de véhicules sur le rail.
Dans un mode de réalisation, le système comprend un circuit configuré pour émettre une alerte au conducteur et/ou au système de régulation du trafic et/ou pour émettre une commande de freinage, lesdites étapes étant déclenchée en fonction du résultat de la détermination de l’existence d’un ou de plusieurs défauts.
Dans un mode de réalisation, le système comprend une ou plusieurs sources de bruit artificielles, pour générer des ondes dans le rail à partir du transducteur, et pour mesurer au moins une grandeur caractéristique desdites ondes à l’aide du au moins un capteur, déterminer l’existence d’un ou de plusieurs défauts dans le rail à partir de ladite fonction représentative de la réponse impulsionnelle du rail et/ou de ladite au moins une grandeur caractéristique.
Dans un mode de réalisation, en cas d’absence de détection, une alerte est envoyée pour signaler une casse potentielle entre émetteur et récepteur. Afin d’éviter un faux positif (par exemple si un objet impacte le rail et émet une onde guidée que le récepteur pourrait détecter et identifier à tort comme provenant de l’émetteur), ce dernier peut émettre un signal codé, c’est-à-dire de forme spécifique, et/ou qui par ses caractéristiques (forme et contenu fréquentiel) n’est pas adapté ou spécifique à la détection d’amorces de défauts.
La illustre un exemple de système selon l’invention.
La figure montre un exemple de système selon l’invention déployé le long d’une voie ferroviaire, avec des transducteurssurchaque rail de ladite voie. Le terme «sur» désigne un ou plusieurs emplacements sélectionnés parmi: sous le champignon que ce soit sur l’âme interne du rail et/ou sur l’âme externe du rail, sous le rail.
Dans un mode de réalisation, le système selon l’invention comprend une pluralité de nœuds électroniques installés le long de la voie, typiquement tous les kilomètres. Un nœud comprend : a) une source d’énergie (e.g. alimentation électrique de type batterie, panneaux solaires, accès à une alimentation externe, etc.) ; b) un circuit électronique comprenant i) un circuit de mesure d’ondes élastiques ; ii) un circuit d’émission d’ondes élastiques (cette caractéristique est optionnelle ; en effet, les modes de réalisation de l’invention peuvent être actifs (émission des signaux par les transducteurs) ou passifs (bruit acousto-élastique ambiant) ; c) des composants de stockage et de traitement du signal (System on Chip), pour le traitement des signaux reçus ; d) un circuit de communication sans fil (e.g. Wifi, LAN, LoRA, 3G/4G/5G, NB-IOT, Sigfox, …); e) un récepteur GNSS (par exemple de type GPS), incluant le circuit d’antennes et l’électronique embarquée et f) un transducteur d’ondes élastiques guidées, par exemple installé sur un rail au niveau de chaque nœud.
Dans un mode de réalisation, un/chaque nœud (e.g. 111, 112) pilote un ou plusieurs transducteurs (e.g. 1111, 1112), émet et/ou reçoit les signaux, et communique le résultat à un serveur distant 140 relié à un poste de commande 130 de la circulation des trains afin d’envoyer une alerte en cas de défaut grave 110 sur un rail 102 (par exemple).
Si une indication plus mineure est détectée, l’information est remontée au centre de maintenance ou au poste de commande pour suivi de la progression de la sévérité et planification d’une réparation ou un remplacement du rail.
Chaque transducteur peut fonctionner à la fois comme émetteur et comme récepteur. Plusieurs signaux sont donc exploitables par le système. Sur la figure, l’onde transmise de l’émetteur 1111 au récepteur 1121 et inversement, ainsi que les ondes réfléchies lorsque l’émetteur 111 (ou le 112) fonctionnent en pulse-écho (le même transducteur joue le rôle d’émetteur et de récepteur).
L’absence d’onde transmise renseigne sur une rupture complète (ou tout du moins très sévère) du rail entre 1111 et 1121, sans localisation plus précise. Dans ce cas, le temps de parcours de l’onde réfléchie permet une localisation précise de la casse, le diagnostic étant éventuellement renforcé par l’onde réfléchie émise par le transducteur situé de l’autre côté.
La illustre les différents types d’ondes se propageant entre deux capteurs.
En cas de défaut moins sévère qu’une rupture complète du rail (fissure par exemple), l’onde transmise 213 permet de détecter et éventuellement de localiser le défaut 200 voire de le caractériser (estimer sa sévérité), mais cela nécessite de connaitre précisément le temps de parcours de l’onde. Vues les vitesses de propagation mises en jeu (typiquement 3000 m/s), le récepteur du nœud (110 ou 120) a besoin de connaitre précisément le top d’émission afin de calculer la fenêtre d’observation du signal et mesurer le temps de parcours. La synchronisation entre émetteur et récepteur doit généralement être inférieure à la microseconde.
A une portée de détection moindre, l’onde réfléchie (212) peut éventuellement également fournir une information sur la présence, la localisation et la sévérité du défaut.
Synchronisation selon l’invention (détails)
Les détails de la synchronisation par GNSS selon l’invention sont décrits ci-après.
Dans un mode de réalisation, chaque nœud connaît a priori (ou le serveur lui envoie) l’état (émetteur ou récepteur) dans lequel il devra se trouver à une date très précise, et lorsqu’il arrive à cette date il réalise automatiquement l’opération qu’il doit faire.
Dans un mode de réalisation avantageux, la synchronisation est effectuée à bas niveau matériel ou logiciel, ce qui évite ou diminue les latences internes (par exemple relatives aux systèmes d’exportation). Ce mode de réalisation peut correspondre à une implémentation dit System on Chip.
Le signal peut ensuite faire l’objet d’un ou de plusieurs prétraitements au niveau d’un nœud. Des informations de plus ou moins haut niveau sur l’état de santé du rail (e.g. informations relatives à la sévérité du défaut) peuvent être envoyées au serveur.
En pratique, la synchronisation entre deux nœuds en mode actif selon l’invention est décrite ci-après. Chaque nœud connaît a priori (ou le serveur lui envoie) l’état (émetteur ou récepteur) dans lequel il devra se trouver à une date très précise (à la microseconde près). Lorsqu’il arrive à cette date, le nœud réalise automatiquement l’opération qu’il doit faire (émettre ou recevoir les ondes). A la date donnée (par exemple 14h 00min 00s 000ms 000µs) le nœud devant émettre procède à l’émission du signal puis bascule en mode réception pour mesurer le signal réfléchi en pulse-écho. Au même instant, décalé d’un offset lié à la distance (connue) entre les deux nœuds et la vitesse de propagation de l’onde (connue également), le nœud récepteur active son circuit de réception.
L’offset est typiquement de l’ordre de 300 ms (pour 2 nœuds écartés de 1 km et une vitesse de propagation de 3000 m/s), c’est-à-dire que le nœud récepteur commence à écouter à 14h 00min 00s 300ms 000µs, pour une durée typique de 100 ms. Chaque échantillon de ce signal est précisément horodaté, i.e. il lui est associé un temps absolu précis à moins d’une microseconde, grâce à l’horodatage GNSS. La connaissance du top réel d’émission et donc l’optimisation de la fenêtre d’écoute (en position et en durée) par le nœud récepteur présente deux avantages : le signal n’est reçu que sur une fenêtre très courte, ce qui minimise le risque de fausse alarme. Par ailleurs, les circuits électroniques n’étant activés que sur un temps très court, la consommation énergétique du système est réduite au minimum, ce qui est avantageux pour un système embarqué.
Afin d’améliorer le rapport signal sur bruit, l’opération émission (tir)/réception est répétée plusieurs fois, jusqu’à une centaine de fois, et les différents signaux reçus sont moyennés pour diminuer le bruit. Pour que l’opération de moyenne ait un sens physique, les signaux doivent être en phase, c’est-à-dire que la synchronisation entre émetteur et récepteur soit très inférieure à la période du signal (soit <µs pour des excitations de l’ordre de quelques dizaines à centaines de kHz). Le signal moyenné permet de s’assurer que le pic reçu dans le signal est bien lié à une propagation d’ondes élastiques émises par le transducteur émetteur et non pas lié à une perturbation électromagnétique et/ou élastique qui pourrait induire une fausse alarme si on basait le diagnostic uniquement sur un dépassement de seuil en amplitude.
Dans un mode de réalisation, la synchronisation entre deux nœuds en mode passif selon l’invention se déroule comme suit. A un top (signal de départ) lié à la présence d’une source de bruit élastique (par exemple l’arrivée d’un train qui augmente le niveau de bruit mesuré au niveau des rails bien avant son passage au niveau des nœuds), les deux nœuds se mettent en mode réception pour une durée déterminée (typiquement quelques dizaines de secondes). Les deux plages de mesures ne sont pas exactement identiques car le réveil des nœuds n’est pas nécessairement simultané (un top externe entraîne un temps de réveil de l’électronique, assez similaire d’un nœud à l’autre, mais pas à la µs près de toute façon ; un top interne lié au franchissement d’un niveau de bruit entraîne un recouvrement beaucoup moins important, il faut donc que la durée d’acquisition soit suffisante). Les signaux sont néanmoins horodatés de manière absolue pour chacun des nœuds. Les signaux sont soient envoyés par chacun des nœuds à un serveur distant soit rassemblé sur un même nœud pour un calcul en local.
Le calcul de l’inter-corrélation des signaux restreints à la partie où les acquisitions se recouvrent permet d’estimer la réponse impulsionnelle entre les deux capteurs. Une interpolation des signaux est nécessaire pour retomber exactement sur la même base de temps.
Dans un mode de réalisation, les nœuds fonctionnent tous en réception en continu afin de capter des signaux dits d’émission acoustique résultant de l’énergie élastique émise lorsqu’un défaut de type fissure du rail se créée/se propage. Les nœuds partageant une base de temps commune, l’heure précise d’arrivée (correspondant au dépassement d’un seuil d’amplitude prédéfini, supérieur au bruit ambiant pour éviter de fausses alarmes) du signal sur deux nœuds adjacents est comparée afin d’établir la localisation précise de la fissure.
Delta x = ½ (L – V*delta t), L étant la distance entre nœuds et V la vitesse. Avec L = 1 km et V = 3000m/s (vitesse du son dans le fer), la synchronisation doit être effectuée à 1 milliseconde (ms, 10^-3) près pour une localisation à 1,5 m seulement. Une synchronisation à 1 microseconde (us, 10^-6) permet une localisation centimétrique.
Une synchronisation maitrisée entre les nœuds garantit donc une bonne localisation du défaut.
Par ailleurs, une synchronisation maitrisée permet la reproductibilité du phénomène dans une zone très précise donnée et ne lancer une alerte que lorsqu’il se reproduit plusieurs fois.
Synchronisation selon l’invention (avantages)
Les avantages de la synchronisation par GNSS selon l’invention sont décrits ci-après.
L’utilisation d’un système GNSS, par exemple de GPS, pour synchroniser des signaux ultrasonores pour application au contrôle non destructif (contrôle de santé des structures) n’existe pas dans l’état de la technique connu. Cette utilisation n’est décrite que dans les seuls cas d’application géophysique (synchronisation d’ondes élastiques géophysiques).
Avantageusement selon l’invention, un mécanisme de synchronisation entre capteurs distants permet une localisation précise d’un défaut. Un capteur qui reçoit une onde élastique (ambiante ou guidée) ne « sait » pas en effet à quel instant cette onde a été émise. Le signal en transmission permet de déterminer que le support matériel servant de guide d’ondes élastiques est « continu » ou au moins « ininterrompu » entre le capteur émetteur et le capteur récepteur. A un instant donné, le capteur émetteur émet une onde et le capteur récepteur mesure les signaux reçus de manière continue (sur une fenêtre temporelle donnée) afin de capter l’onde qui s’est propagée.
Avantageusement, le fait d’avoir cette synchronisation par GNSS fait qu’il n’y a pas besoin de dérouler une fibre optique (ou un câble électrique) le long de la voie. La solution de synchronisation retenue aboutit à ce que les procédés et les dispositifs peuvent être facilement déployés en pratique. D’un point de vue matériel, tous les nœuds du réseau déployé sont indépendants. En particulier, il est possible facile d’enlever ou de retirer, respectivement d’ajouter, un nœud au réseau, par exemple en cas de modification de la géométrie de la voie ferroviaire ou de panne d’un nœud. Par exemple, il est possible d’insérer ou de retirer une éclisse (e.g. remplacement par une soudure ou inversement).
Avantageusement, l’horloge synchronisée par GNSS (précision temporelle) permet d’atteindre des précisions améliorées en matière de localisation (précision spatiale). L’utilisation du GNSS permet de synchroniser précisément les nœuds, i.e. garantir qu’ils partagent la même base de temps. Ainsi, un nœud ou capteur en réception peut être associé à une information temporelle exacte, qui informe sur la date d’émission du signal. En ordres de grandeur, la synchronisation des nœuds s’effectue à des intervalles de temps qui doivent être inférieurs à la microseconde (millionième de seconde), afin d’être suffisamment précis vis-à-vis de la propagation des ondes élastiques. A cette échelle de temps, il n’est pas possible de compter sur l’horloge interne des nœuds, car les dérives sont très vites trop importantes entre deux nœuds donnés. Une resynchronisation par exemple par internet n’est également pas possible à mettre en œuvre, car la latence dans le réseau y est trop importante.
Parmi plusieurs solutions techniques, une solution peut consister à exploiter le signal dit PPS (« Pulse Per Second »), qui est envoyé par le système GNSS toutes les secondes. Ce signal est calé sur l’horloge atomique embarquée dans les satellites GNSS. Il permet une synchronisation à quelques dizaines de nanosecondes près, à un coût très limité (bien moindre que s’il fallait embarquer une horloge atomique dans chaque nœud).
En pratique, selon un mode de réalisation, un/chaque nœud reçoit le signal PPS pour se synchroniser à quelques dizaines de nanosecondes près toutes les secondes. La dérive constatée entre deux nœuds d’une seconde à l’autre est très inférieure à la microseconde ce qui garantit une précision suffisante vis-à-vis de la propagation des ondes élastiques guidées.
Dans des variantes de réalisation, la synchronisation entre les nœuds est obtenue par d’autres méthodes (par exemple par synchronisation radio ou bien filaire). Les variantes de synchronisation radio ou filaire sont comparativement plus onéreuses. Par ailleurs, la couverture GNSS est mondiale et d’un coût modique.
La illustre un exemple de structure d’un nœud 110 pour la capture de signaux selon l’invention. Ce nœud électronique permet notamment de réaliser ces fonctions d’émission et réception d’ondes, de communication avec le serveur distant, tout en garantissant une synchronisation inférieure à la microseconde entre deux nœuds distants de plusieurs kilomètres (la distance n’importe pas tant qu’il existe une couverture par GNSS sur les deux nœuds considérés).
Dans un mode de réalisation, un « nœud » ou « hub » 111 (mutualisant les ressources électroniques) peut piloter plusieurs capteurs physiques ou « points de mesure ». Chaque point de mesure e.g. 110 ou 120 peut comprendre un ou plusieurs capteurs (de type 1111, 1112). Un nœud 111 peut comprendre des ressources de communication (filaire ou sans-fil, e.g. 4G, 5G, Wifi, Ethernet, fibre optique, etc.), de manière à centraliser les données dans un centre de traitement 130 (e.g. synchronisation, alertes, etc). Les données peuvent être capturées et transmises en continu, ou bien encore être récupérées une fois par jour, ou à la volée lors du passage d’un train, etc.
Dans une approche passive, les données à transmettre peuvent être volumineuses (typiquement quelques mégaoctets Mo au lieu de quelques octets ou centaines d’octets dans le cas actif). En fonction des protocoles de communication mis en œuvre, cela peut-être un point à prendre en compte.
Dans un mode de réalisation, un nœud peut avoir la faculté de piloter les capteurs à la fois en mode transmission et en mode pulse-écho en actif et en passif (nœud « générique »). Dans certains modes de réalisation, un ou plusieurs nœuds peuvent être optimisés en termes de fonctionnalités et de coût.
Un nœud 111 selon les modes de réalisation de l’invention peut comprendre différents composants. Un nœud peut comprendre un émetteur dans le cas actif. En mode passif, il n’y a pas d’émetteur puisque l’énergie du train est utilisée. Les signaux des capteurs e.g. 1111 sont reçus par un circuit électronique analogique/digital puis traités par un circuit 320 (FPGA, CPU ou autre) qui communique les données 332 et/ou les stocke 331 localement. Dans un mode de réalisation, un nœud peut comprendre un module GNSS (acronyme pour l’anglais « Global Navigation Satellite System », e.g. GPS ou Galileo ou GLONASS ou Beidou-2 (COMPASS). Ce circuit GNSS est avantageux pour repérer la position du nœud une fois disposé sur la voie, mais également pour dater les signaux précisément (une datation précise à quelques nanosecondes permet une synchronisation en post-traitement).
Concernant la source d’énergie 340, différents modes de réalisation sont décrits.
Dans un mode de réalisation, le nœud de capteurs est autonome et communicant. Dans un mode de réalisation, le nœud récupère de l’énergie vibratoire grâce aux capteurs piézoélectriques collés au rail et/ou au souffle d’air au passage d’un train (mini-éolienne, par exemple lorsque le système est dans un tunnel), et/ou d’un panneau solaire. Dans un mode de réalisation, le nœud comprend une batterie. Dans d’autres modes de réalisation, des systèmes de stockage d’énergie plus transitoires sont utilisés (e.g. super condensateurs, par récupération d’énergie au passage d’un train donc sur un temps très court).
La montre un exemple de signal 410 mesuré en transmission entre deux capteurs positionnés sous le champignon espacés de 400 mètres et synchronisés par GPS. Le signal émis, donc dans ce cas selon un mode d’interrogation actif, est une salve constituée de 5 cycles de sinusoïde de fréquence centrale 40 kHz.
Une portion de signal 411 est isolé et agrandie: une variation de signal 4111 est mesuré en transmission, pour un défaut de taille croissante. Le défaut dans ce cas est une entaille artificielle de la tête de champignon (représentative de défauts appelés dans le jargon «partial rail break») de 5 à 25 mm de profondeur et environ 11 mm de long. Le signal 1 correspond à un rail sain, le signal numéroté 6 correspond à un défaut de taille maximale. La figure illustre la modification d’amplitude due au défaut, qui permet d’en détecter la présence. Dans ce cas, l’amplitude est porteuse de l’information sur la sévérité du défaut (caractérisation).
L’invention peut s’implémenter à partir d’éléments matériel et/ou logiciel. Elle peut être disponible en tant que produit programme d’ordinateur sur un support lisible par ordinateur. Le support peut être électronique, magnétique, optique ou électromagnétique. Les moyens ou ressources informatiques peuvent être centralisés et/ou être distribués ("Cloud computing"), éventuellement avec ou selon des technologies de pair-à-pair et/ou de virtualisation et/ou de redondance. Le code logiciel peut être exécuté sur n'importe quel processeur approprié (par exemple, un microprocesseur) ou cœur de processeur ou un ensemble de processeurs, qu'ils soient prévus dans un dispositif de calcul unique ou répartis entre plusieurs dispositifs de calcul. La mise en œuvre informatique de l’invention peut utiliser des systèmes centralisés (e.g. client-serveur ou maître-esclave) et/ou des systèmes distribués (e.g. architecture de type pair-à-pair utilisant des ressources informatiques accessibles, éventuellement de manière opportuniste e.g. réseaux ad hoc, etc.). Le système (ou ses variantes) implémentant une ou plusieurs des étapes du procédé peut utiliser un ou plusieurs circuits électroniques dédiés ou un circuit à usage général. Le procédé peut aussi être mis en œuvre sur une machine de calcul reprogrammable (un processeur ou un microcontrôleur, par exemple) exécutant un programme comprenant une séquence d'instructions, ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel). Un circuit dédié peut notamment améliorer les performances. La référence à un programme d'ordinateur qui, lorsqu'il est exécuté, effectue l'une quelconque des fonctions décrites précédemment, ne se limite pas à un programme d'application s'exécutant sur un ordinateur hôte unique. Au contraire, les termes programme d'ordinateur et logiciel sont utilisés ici dans un sens général pour faire référence à tout type de code informatique (par exemple un logiciel d'application, un micro logiciel, un microcode, APIs, web services, ou toute autre forme d'instruction d'ordinateur) qui peut être utilisé pour programmer un ou plusieurs processeurs pour mettre en œuvre des étapes du procédé.

Claims (15)

  1. Système pour la détection d’un défaut dans un rail d’une voie ferrée, comprenant :
    - au moins deux capteurs sélectionnés parmi des transducteurs magnéto-acoustique de type EMAT et/ou piézoélectriques et/ou magnétostrictifs;
    - chaque capteur étant associé à un organe d’horodatage propre à horodater des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail mesurés par ledit capteur,
    - chaque organe d’horodatage étant propre à recevoir un signal de synchronisation en provenance d’un système de positionnement par satellites GNSS; et
    - un organe de calcul pour déterminer ou détecter l’existence d’un ou de plusieurs défauts dans le rail.
  2. Système selon la revendication 1, dit en mode passif, les ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail lors du passage d’un train, et l’organe de calcul est configuré pour déterminer une fonction représentative de la réponse impulsionnelle du rail à partir des signaux de mesure de bruit acousto-élastique.
  3. Système selon la revendication 1, dit en mode actif, dans lequel les capteurs sont configurés pour recevoir et/ou émettre des ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail.
  4. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les signaux de mesure sont synchronisés, et l’organe de calcul est configuré pour déterminer ou détecter l’existence d’un ou de plusieurs défauts dans le rail à partir des signaux de mesure horodatés et synchronisés.
  5. Système selon la revendication 4, dans lequel l’organe de calcul est en outre configuré pour déterminer la position desdits un ou plusieurs défauts dans le rail à partir des signaux de mesure synchronisés.
  6. Système selon la revendication 5, dans lequel l’organe de calcul est en outre configuré pour caractériser lesdits un ou plusieurs défauts dans le rail à partir des signaux de mesure synchronisés.
  7. Système selon la revendication 2, dans lequel la détermination d’une fonction représentative de la réponse impulsionnelle du rail est effectuée par inter-corrélation.
  8. Système selon la revendication 2, dans lequel la fonction représentative de la réponse impulsionnelle est obtenue par un procédé de filtre inverse passif.
  9. Système selon la revendication 8, dans lequel ledit procédé de filtre inverse passif FIP comprend des étapes consistant à : a) découper temporellement le signal temporel mesuré en une pluralité de sous-vecteurs ou pseudos-sources; b) décomposer en valeurs singulières des matrices de propagation monochromatique déterminées à partir des pseudos-sources dans le domaine fréquentiel; c) obtenir la fonction représentative de la réponse impulsionnelle dans le domaine temporel par transformée de Fourier inverse.
  10. Système selon la revendication 2, dans lequel la fonction représentative de la réponse impulsionnelle est obtenue par corrélation de coda de corrélation.
  11. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un capteur est posé ou fixé sous le champignon du rail, et/ou sur l’âme interne et/ou externe du rail.
  12. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’alimentation en énergie électrique est fournie par des systèmes dynamos rechargés par le passage des trains sur la voie ferrée et/ou un ou plusieurs panneaux photovoltaïques et/ou un ou plusieurs mâts éoliens.
  13. Système selon la revendication 2, comprenant en outre une ou plusieurs sources de bruit artificielles.
  14. Procédé pour la détection d’un défaut dans un rail d’une voie ferrée, instrumentée d’au moins deux capteurs sélectionnés parmi des transducteurs magnéto-acoustique de type EMAT et/ou piézoélectriques et/ou magnétostrictifs, le procédé comprenant les étapes consistant à:
    - recevoir un signal de synchronisation en provenance d’un système de positionnement par satellites GNSS;
    - horodater des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes acousto-élastiques se propageant dans le rail mesurés par lesdits capteurs; et
    - déterminer ou détecter l’existence d’un ou de plusieurs défauts.
  15. Produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé selon la revendication 14, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
FR1915428A 2019-12-23 2019-12-23 Systeme et procede pour la detection d’un defaut dans un rail d’une voie ferree Active FR3105148B1 (fr)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1915428A FR3105148B1 (fr) 2019-12-23 2019-12-23 Systeme et procede pour la detection d’un defaut dans un rail d’une voie ferree
PCT/EP2020/085846 WO2021130036A1 (fr) 2019-12-23 2020-12-11 Systeme et procede pour la detection d'un defaut dans un rail d'une voie ferree
US17/787,927 US20230024577A1 (en) 2019-12-23 2020-12-11 System and method for detecting a defect in a railway track rail
EP20821016.1A EP4081438A1 (fr) 2019-12-23 2020-12-11 Systeme et procede pour la detection d'un defaut dans un rail d'une voie ferree
CA3162984A CA3162984A1 (fr) 2019-12-23 2020-12-11 Systeme et procede pour la detection d'un defaut dans un rail d'une voie ferree
ZA2022/06953A ZA202206953B (en) 2019-12-23 2022-06-22 System and method for detecting a defect in a railway track rail

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1915428A FR3105148B1 (fr) 2019-12-23 2019-12-23 Systeme et procede pour la detection d’un defaut dans un rail d’une voie ferree
FR1915428 2019-12-23

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3105148A1 true FR3105148A1 (fr) 2021-06-25
FR3105148B1 FR3105148B1 (fr) 2023-10-06

Family

ID=70738653

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1915428A Active FR3105148B1 (fr) 2019-12-23 2019-12-23 Systeme et procede pour la detection d’un defaut dans un rail d’une voie ferree

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230024577A1 (fr)
EP (1) EP4081438A1 (fr)
CA (1) CA3162984A1 (fr)
FR (1) FR3105148B1 (fr)
WO (1) WO2021130036A1 (fr)
ZA (1) ZA202206953B (fr)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230024577A1 (en) * 2019-12-23 2023-01-26 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives System and method for detecting a defect in a railway track rail
FR3130733A1 (fr) 2021-12-21 2023-06-23 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Systeme et procede pour la detection de defauts dans des structures allongees

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114310935B (zh) * 2021-12-16 2023-08-04 杭州申昊科技股份有限公司 基于巡检机器人的轨道状态检测***、机器人以及方法
CN115881079B (zh) * 2023-02-16 2023-05-23 山东铁路投资控股集团有限公司 铁路轨道施工中的噪音预警方法、***、设备及存储介质
CN116620348B (zh) * 2023-06-06 2023-10-20 宁波思高信通科技有限公司 一种钢轨检测方法、***、智能终端及存储介质
CN117147693B (zh) * 2023-10-09 2024-04-09 西南交通大学 一种基于声弹性耦合的无砟道床与路基层间缺陷检测方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120279308A1 (en) * 2011-05-04 2012-11-08 Fbs, Inc. Elastic wave rail defect detection system
WO2014027977A1 (fr) 2012-08-14 2014-02-20 ENEKOM ENERJI EKOLOJI BILIŞIM VE MUHENDISLIK SANAYI TICARET LIMITED ŞlRKETI Procédé de détection de fractures et de fissures de rail
US20140238139A1 (en) 2011-08-23 2014-08-28 Csir System for monitoring the condition of structural elements and a method of developing such a system
WO2015178868A1 (fr) 2014-05-22 2015-11-26 Gokmen Sabri Haluk Système détectant les ruptures et fissures de rails par le procédé de réflexion
WO2016076891A1 (fr) * 2014-11-14 2016-05-19 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Notifications de vibration reçues en provenance de capteurs de vibration
WO2018109159A1 (fr) * 2016-12-15 2018-06-21 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procede et systeme de controle de sante integre d'une structure mecanique par ondes elastiques diffuses
EP3473518A1 (fr) * 2017-10-17 2019-04-24 Next Generation Rail Technologies S.L. Système de détection d'événements ou de situations présentant des modèles associés de vibrations acoustiques dans un train ferroviaire et unité de détecteur de vibration pour ce système
FR3073289A1 (fr) * 2017-11-08 2019-05-10 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Controle de sante d'une structure industrielle
WO2020025390A1 (fr) * 2018-08-01 2020-02-06 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Contrôle de santé de rails

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9516395B2 (en) * 2014-03-28 2016-12-06 Electronic Warfare Associates, Inc. Systems and methods for sensor synchronization
WO2017175276A1 (fr) * 2016-04-04 2017-10-12 三菱電機株式会社 Dispositif de détection de rupture de rail
FR3105148B1 (fr) * 2019-12-23 2023-10-06 Commissariat Energie Atomique Systeme et procede pour la detection d’un defaut dans un rail d’une voie ferree
FR3114206B1 (fr) * 2020-09-11 2023-01-06 Commissariat Energie Atomique Système et Procédé pour la détection de défauts dans des guides d’ondes allongés.
CN114310935B (zh) * 2021-12-16 2023-08-04 杭州申昊科技股份有限公司 基于巡检机器人的轨道状态检测***、机器人以及方法
CN115881079B (zh) * 2023-02-16 2023-05-23 山东铁路投资控股集团有限公司 铁路轨道施工中的噪音预警方法、***、设备及存储介质
CN116620348B (zh) * 2023-06-06 2023-10-20 宁波思高信通科技有限公司 一种钢轨检测方法、***、智能终端及存储介质
CN117147693B (zh) * 2023-10-09 2024-04-09 西南交通大学 一种基于声弹性耦合的无砟道床与路基层间缺陷检测方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120279308A1 (en) * 2011-05-04 2012-11-08 Fbs, Inc. Elastic wave rail defect detection system
US20140238139A1 (en) 2011-08-23 2014-08-28 Csir System for monitoring the condition of structural elements and a method of developing such a system
WO2014027977A1 (fr) 2012-08-14 2014-02-20 ENEKOM ENERJI EKOLOJI BILIŞIM VE MUHENDISLIK SANAYI TICARET LIMITED ŞlRKETI Procédé de détection de fractures et de fissures de rail
WO2015178868A1 (fr) 2014-05-22 2015-11-26 Gokmen Sabri Haluk Système détectant les ruptures et fissures de rails par le procédé de réflexion
WO2016076891A1 (fr) * 2014-11-14 2016-05-19 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Notifications de vibration reçues en provenance de capteurs de vibration
WO2018109159A1 (fr) * 2016-12-15 2018-06-21 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procede et systeme de controle de sante integre d'une structure mecanique par ondes elastiques diffuses
EP3473518A1 (fr) * 2017-10-17 2019-04-24 Next Generation Rail Technologies S.L. Système de détection d'événements ou de situations présentant des modèles associés de vibrations acoustiques dans un train ferroviaire et unité de détecteur de vibration pour ce système
FR3073289A1 (fr) * 2017-11-08 2019-05-10 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Controle de sante d'une structure industrielle
WO2020025390A1 (fr) * 2018-08-01 2020-02-06 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Contrôle de santé de rails

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230024577A1 (en) * 2019-12-23 2023-01-26 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives System and method for detecting a defect in a railway track rail
FR3130733A1 (fr) 2021-12-21 2023-06-23 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Systeme et procede pour la detection de defauts dans des structures allongees
WO2023117434A1 (fr) 2021-12-21 2023-06-29 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Systeme et procede pour la detection de defauts dans des structures allongees

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021130036A1 (fr) 2021-07-01
US20230024577A1 (en) 2023-01-26
EP4081438A1 (fr) 2022-11-02
CA3162984A1 (fr) 2021-07-01
ZA202206953B (en) 2023-04-26
FR3105148B1 (fr) 2023-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FR3105148A1 (fr) Systeme et procede pour la detection d’un defaut dans un rail d’une voie ferree
CA3108106A1 (fr) Controle de sante de rails
EP3555585B1 (fr) Procede et systeme de controle de sante integre d&#39;une structure mecanique par ondes elastiques diffuses
EP3077795B1 (fr) Controle de structure industrielle
EP3707503A1 (fr) Contrôle de sante d&#39;une structure industrielle
FR3105554A1 (fr) Mesure passive d’ondes acousto-elastiques
US9766281B2 (en) Method for monitoring an electrical power supply line comprised in a seismic cable, corresponding system, computer program product and non-transitory computer-readable carrier medium
EP4211012A1 (fr) Système et procédé pour la détection de défauts dans des guides d&#39;ondes allongés
EP3446115A1 (fr) Systeme et procede de controle d&#39;une structure par ondes acoustiques de coda
WO2023117434A1 (fr) Systeme et procede pour la detection de defauts dans des structures allongees
JP2024516568A (ja) 光ファイバセンシングを用いたマッピング
WO2022053614A1 (fr) Dispositif et procédé de gestion de ressources pour la surveillance de structures allongées
FR3120263A1 (fr) Procédé et système distribué de surveillance acoustique d’un ouvrage d’art comprenant des câbles tendus.
WO2022053612A1 (fr) Procede pour la mise a jour de logiciel embarque
US20240125962A1 (en) Robust source localization with joint time arrival and velocity estimation for cable cut prevention
US20220343774A1 (en) Aircraft rescue systems and methods using predictive models
CN117572490A (zh) 一种地震信标***
FR3114886A1 (fr) Surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal
FR3112853A3 (fr) Surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20210625

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 5