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La maintenance connectée

2016 September 22, 13:00 CEST

Une conception innovante des réseaux et des antennes pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de systèmes de maintenance conditionnelle sans fil robustes pour les véhicules ferroviaires, déclare Mario Rossi, responsable technique ferroviaire chez SKF.

Comme dans de nombreux domaines des transports, le besoin d'améliorer la sécurité et la fiabilité et de réduire la maintenance des applications ferroviaires entraîne un intérêt accru pour les approches basées sur la maintenance conditionnelle. Ceci nécessite des technologies de surveillance : les changements de température, les vibrations et les autres variables constatés pendant le fonctionnement permettent d’anticiper les problèmes mécaniques et aident ainsi les opérateurs à prendre les mesures qui s’imposent avant l'apparition de défaillances. Jusqu'à présent, l'installation des nombreux capteurs requis pour collecter ces données auprès des composants clés nécessitait la mise en place de réseaux complexes de câbles supplémentaires. Ce qui pouvait poser problème. En effet, ces câbles sont coûteux à installer et ne facilitent pas la maintenance de routine, qui prend alors plus de temps.

Aujourd'hui, en collaboration avec deux institutions italiennes leaders1, une équipe d'ingénieurs SKF a montré comment un réseau de capteurs peut fonctionner à l'aide d'une communication sans fil à faible puissance, pour une conception, une installation et une maintenance beaucoup plus simples.

Il est difficile d'adapter un réseau sans fil aux applications de maintenance conditionnelle ferroviaire pour différentes raisons. Tout d'abord, les capteurs doivent pouvoir fonctionner pendant de longues périodes sans être rechargés ni remplacés. Par exemple, sur certains trains de passagers modernes, les boîtes d'essieux peuvent parcourir plus d'un million de kilomètres entre les révisions et les opérateurs ont pour ambition de doubler ce chiffre. En raison de la nécessité de générer et de stocker leur propre alimentation, les capteurs doivent présenter une efficacité énergétique extrême, ce qui limite grandement la puissance disponible pour la transmission de signaux sans fil.

La grande taille des véhicules ferroviaires est un autre problème. En effet, un capteur monté au niveau de la boîte d'essieu est susceptible, par exemple, de devoir transmettre à un récepteur placé à une distance de près de 20 m, au centre du véhicule. Les véhicules ferroviaires ne sont pas un environnement facile pour la transmission sans fil. De nombreux matériaux conducteurs dans les bogies, le châssis et la carrosserie du véhicule peuvent bloquer les signaux ou entraîner des interférences.

Pour construire un réseau sans fil capable de répondre à ces exigences, l'équipe SKF a d'abord dû choisir une fréquence de service appropriée pour le système envisagé. Ce choix intègre différents facteurs, parmi lesquels les réglementations régionales relatives à l'utilisation du spectre électromagnétique, la probabilité d'interférences en provenance d'autres équipements à bord ou à proximité du train et le compromis entre la quantité de données pouvant être transmises sur chaque fréquence et la taille du matériel requis.

L'équipe a commencé par examiner trois fréquences potentielles : 434 MHz, 868 MHz et 2,4 GHz. Puis elle a examiné les caractéristiques du système ferroviaire à l'aide d'outils de simulation avancés afin de modéliser la réflexion et la diffraction des ondes radio à travers et autour de la structure d'un wagon.

Cette simulation a exploré plusieurs configurations possibles de réseau comme, par exemple, celle d’un système où les capteurs sur chaque bogie transmettent à des récepteurs placés sous le toit du train. L’autre approche serait celle dans laquelle les capteurs sont équipés d'une antenne émettrice (Tx) et d'une antenne réceptrice (Rx) et chaque capteur communique avec ses voisins, puis envoie les données le long du train vers un dernier récepteur dans la cabine du conducteur. La fréquence de 2,4 GHz a montré des problèmes de propagation et des interférences potentielles dues aux signaux Wi-Fi à bord, mais les fréquences de 434 MHz et de 868 MHz ont fait preuve de bonnes valeurs de propagation. Après avoir rejeté la fréquence de 434 MHz, qui nécessiterait de grandes antennes complexes, l'équipe a fini par opter pour 868 MHz, le meilleur compromis pour la tâche. Des tests physiques utilisant des équipements prototypes montés sur un vrai train ont confirmé les résultats des simulations.

L'élément essentiel de la nouvelle approche fut une nouvelle conception de l'antenne, optimisée pour les défis uniques posés par l'environnement ferroviaire. Pour permettre aux capteurs d'être installés aux endroits appropriés - sur la boîte d'essieu d'un bogie, par exemple - les dimensions globales du capteur, du système électronique de commande et de l'antenne doivent être minimisées. Et pour survivre à de longues périodes sous un train, l'antenne doit être protégée contre la pénétration de poussière et d'humidité et supporter d'importantes variations de température et de hauts niveaux de vibrations.

Pour construire une antenne répondant à ces besoins, l'équipe a sélectionné une configuration appelée antenne plane en f inversé (PIFA). Dans cette conception, les éléments de l'antenne sont « construits » sur une carte de circuit imprimé (PCB) recouverte d'un matériau conducteur servant de plan de masse. Un substrat diélectrique avec une couche métallique est ajouté sur l'autre face de la PCB. Cette configuration présente une robustesse physique et émet dans toutes les directions – une autre caractéristique importante pour les composants qui doivent être mis en place dans des espaces restreints et difficiles.

En utilisant un matériau diélectrique présentant une permittivité relative très élevée (εr=10,9), l'équipe a pu réduire suffisamment la taille de l'antenne pour qu'elle puisse prendre place dans une boîte d'essieu ferroviaire standard. Les tests de la nouvelle antenne montée à l'intérieur d'une boîte d'essieu ont montré qu'elle offre d'excellentes performances et est moins affectée par la proximité d'autres gros objets métalliques que les conceptions disponibles actuellement dans le commerce. Les résultats de ces recherches sont inestimables et vont permettre à SKF de développer la prochaine génération des produits compatibles avec l'Internet des objets pour le marché ferroviaire.
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1 L'équipe à l'origine de ce projet incluait Franco Lambertino et Mario Rossi du segment ferroviaire SKF ; Gianluca Dassano, Francesca Vipiana et Mario Orefice de Antenna and EMC Lab (LACE), Département de l'électronique et des télécommunications, Politecnico di Torino ; et Sergio Arianos de Antenna and EMC Lab (LACE), Istituto Superiore Mario Boella (ISMB), Turin. Le groupe a présenté son travail lors du 11ème Congrès mondial sur les recherches ferroviaires qui s'est tenu à Milan cette année.

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