EP4211012A1 - Système et procédé pour la détection de défauts dans des guides d'ondes allongés - Google Patents

Système et procédé pour la détection de défauts dans des guides d'ondes allongés

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Publication number
EP4211012A1
EP4211012A1 EP21782442.4A EP21782442A EP4211012A1 EP 4211012 A1 EP4211012 A1 EP 4211012A1 EP 21782442 A EP21782442 A EP 21782442A EP 4211012 A1 EP4211012 A1 EP 4211012A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
node
nodes
fault
messages
local
Prior art date
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Pending
Application number
EP21782442.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bastien CHAPUIS
Julien ALBERTINI
Clément FISHER
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4211012A1 publication Critical patent/EP4211012A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • B61L23/045—Rail wear
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
    • B61L27/50—Trackside diagnosis or maintenance, e.g. software upgrades
    • B61L27/53—Trackside diagnosis or maintenance, e.g. software upgrades for trackside elements or systems, e.g. trackside supervision of trackside control system conditions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0025—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings of elongated objects, e.g. pipes, masts, towers or railways
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0066—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by exciting or detecting vibration or acceleration

Definitions

  • the invention relates to the field of the monitoring of structures by non-destructive testing, and relates in particular to the monitoring of structures comprising elongated waveguides.
  • the rail is a critical elongated structure whose integrity must be monitored. Subjected to very strong thermomechanical stresses (e.g. internal stresses due to thwarted thermal expansion, passage of trains), the rail sections wear out over time and can sometimes be subject to severe breakage. The condition of the tracks must be monitored to reduce or even eliminate the risk of derailment.
  • the maintenance of a railway network represents a major challenge in terms of cost and safety for railway operators.
  • Breakage detection is currently carried out by an electrical system called a "track circuit", which consists of circulating a weak electric current in the rails.
  • a track circuit which consists of circulating a weak electric current in the rails.
  • This system thus makes it possible to ensure that the track is free, or that there is not a wagon lost by a preceding train, and therefore that the train can enter the section of track.
  • this system can detect part of the rail breaks (when the electrical discontinuity is large enough), but not necessarily all the damage suffered by the rails in operation.
  • this approach has limitations.
  • Another known approach for detecting faults in the rails consists in placing along the rail transducers (which can be designated as sensors) emitting guided elastic waves propagating over long distances ( typically 1 km), and which are connected to electronic devices (an electronic device is also referred to as an "electronic node” in the sense of a "hub” pooling electronic resources), all the electronic devices constituting a network of nodes configured to process measurement signals received from at least one transducer.
  • the waves interact with the defects, and the signals diffracted by their analysis make it possible to detect and locate them.
  • the optical fiber induces a vulnerability that will lead to a complex maintenance device.
  • the addition or removal of knots is an excessively delicate operation because the knots are chained. It necessarily requires a cabling operation on the fiber.
  • the optical fiber being intrinsically fragile, it is unsuitable for use in harsh environments.
  • the present invention can be used for monitoring cables, pipes or any other elongated structure, that is to say having a privileged direction, which can act as an elastic waveguide, and for which the technique of monitoring is based on the analysis of guided elastic waves.
  • the analysis of wave propagation provides information on the integrity of the waveguide and therefore on the presence or not of a defect.
  • Different industrial structures are in the form of elongated elastic waveguides: for example a rail in the railway field or in gantry-type structures.
  • a pipe carrying a fluid is also an elongated structure for which it can be critical to ensure integrity (especially in the oil or nuclear fields).
  • the invention can be applied to the monitoring of cables, for example for passenger transport systems (cable car or other).
  • An object of the present invention is a fault detection device in an elongated waveguide, in particular a railway track, based on the analysis of elastic waves.
  • the device of the invention is compact and offers simplified deployment and maintenance.
  • the device is composed of separate elements allowing “plug-and-play” type installation and updates. It is thus possible to add or remove one or more elements without consequent modification of the general installation. This type of modification can easily be carried out by software, where, by contrast, the known systems are "chained", i.e. requiring delicate operations where necessary (eg on the optical fiber, in terms of radio routing, etc.) .
  • the costs of deploying and maintaining the device according to the invention are therefore significantly reduced compared to existing systems.
  • the device of the invention comprises a set of electronic devices installed along a structure to be monitored, constituting a network of nodes configured to: transmit and receive signals; driving guided elastic wave transducers; processing measurement signals received from at least one transducer; and communicate according to a low power consumption communication protocol the messages to a server distant.
  • the remote server is configured to: combine messages containing local diagnostic information performed by electronic nodes; and carry out a global and precise fault diagnosis by aggregating the local diagnoses.
  • each node comprises an energy source, elastic wave emission means, elastic wave measurement means, storage means, signal processing means for detecting faults , communication means with low energy consumption to communicate via an antenna adapted to a remote server, an antenna for the reception of signals of the GNSS type (Geolocation and Navigation by a Satellite System).
  • GNSS Global System for Mobile communications
  • the present invention allows a simplified deployment, saving energy during operation, i.e. not requiring an electrical network, limiting the size of the batteries, and having low constraints in terms of telecommunication coverage.
  • communication protocols with low energy consumption such as for example the “LoRaWAN” protocol which is the acronym for “Long Range Wide-area network” or “long-range extended network”.
  • LPWAN Low Power Wide Area Network
  • Low energy consumption communication protocols use free radio frequencies, they are therefore inexpensive in terms of deployment, and it is possible to deploy them on a site if no pre-existing network is available there, unlike 4G deployments.
  • the device of the present invention is configured so that fault detection algorithms are embedded in each electronic node to carry out local diagnostics and to upload the result to a remote server.
  • the messages generated by the nodes can be limited to a few bits (ie provide binary YES/NO information indicating that the elongated waveguide is or is not damaged) or contain a few bytes (ie provide a slightly more elaborate message containing finer information, for example on a fault criticality level, a location, a type, etc.).
  • a remote server retrieves the messages from the nodes, in order to pool the local information fed back by each node, and refine the diagnosis to guarantee the detection of real faults and limit false positives.
  • the embodiments of the invention make it possible to carry out locally by each node a local fault diagnosis, to transmit to a remote server by a communication protocol with low energy consumption simplified information on the state of health of the node and a portion of the elongated waveguide reduced to a few nodes.
  • the method of the invention After analysis and processing at the server level (or by a supervisor module) of all the basic information received, the method of the invention makes it possible to determine the presence of a probable defect, whether it is a clear break, a primer breakage or wear, and allow a decision to be taken accordingly (for example traffic stoppage on a railway line, maintenance programming, etc.).
  • the embodiments of the invention make it possible to detect and locate breakage primers (eg of the crack type), making it possible to anticipate an upcoming break and plan maintenance operations (repair/replacement of the damaged zone ) or monitoring over time. In this way, traffic stops that are penalizing for users can be avoided.
  • breakage primers eg of the crack type
  • the embodiments of the invention make it possible in the railway field to detect the onset of breakage on the head and on the web of the rail thanks to the concomitant exploitation of the signals in pulse-echo and in transmission.
  • a fault detection method is proposed in an elongated structure that can act as an elastic waveguide, the structure being instrumented with a plurality of transducers able to acquire measurement signals from characteristic quantities of elastic waves propagating in said elongated structure, each transducer being coupled to a electronic device, the set of electronic devices constituting a network of nodes configured to process measurement signals received from at least one transducer, the method being implemented by computer and comprising the steps consisting in:
  • each electronic device comprises a signal processing circuit
  • the step of performing a plurality of local diagnostics consists in implementing a fault detection algorithm by each signal processing circuit to generate a local diagnostic
  • the transmission step consists in transmitting messages between the plurality of electronic devices and the remote server according to an LPWAN type protocol
  • the transmission step consists in transmitting messages in LoRa format according to a LoRaWan communication protocol
  • the transmission step consists of transmitting messages containing at least binary information on the presence or absence of a fault
  • the aggregation step includes steps consisting of:
  • group frames a group grouping together n nodes and being composed of a transmitter node and n-1 receiver nodes, a group frame having an n+1 number of bits, the value of n-1 bits corresponding to local diagnostic information received from a receiving node, and the two-bit value corresponding to right and left pulse-echo local diagnostic information received from the transmitting node;
  • the method further comprises a step consisting in correcting the content of certain group frames; the step of performing a global fault diagnosis consists, from the group frames corrected or not, and the positions of the nodes in each group, in generating a global diagnosis result which lists for each group of nodes in each phase, a value representative of the state of each node of the group for each phase, making it possible to determine whether the node is healthy or faulty or whether it raises an exception; the method further comprises a step consisting in determining the location or the severity of a defect in the event of the determination of the presence of a defect. the method further comprises a step consisting in displaying the result of the overall fault diagnosis.
  • the invention also covers a computer program product comprising non-transitory code instructions making it possible to perform the steps of the method of the invention, when the program is executed on a computer.
  • the invention further covers a fault detection device in an elongated structure that can act as an elastic waveguide, the elongated structure being instrumented with a plurality of transducers capable of acquiring measurement signals of characteristic quantities of elastic waves propagating in said elongated structure, each transducer being coupled to an electronic device, the set of electronic devices constituting a network of nodes configured to process measurement signals received from at least one transducer, the detection device fault comprising means for implementing the steps of the method of the invention.
  • the electronic device comprises at least: an energy source; an elastic wave measurement circuit; an elastic wave emission circuit; storage components; a signal processing circuit; a wireless communication circuit coupled to an antenna for sending messages according to a low energy consumption communication protocol; a GNSS receiver.
  • the invention also covers a railway track condition monitoring system based on the analysis of elastic waves guided in the rails, the system comprising a plurality of fault detection devices according to the invention.
  • FIG.1 illustrates an example of general architecture making it possible to implement the device according to the invention
  • FIG.2 illustrates an example of implementation of the device of the invention for a railway application
  • FIG. 3 illustrates different types of waves propagating between two transducers
  • FIG.4 illustrates an example of the structure of an electronic node according to the invention making it possible to make a local diagnosis
  • FIG.5 illustrates a firing sequence allowing the processing of LoRa type messages by the remote server
  • FIG.6 illustrates another firing sequence allowing the processing of LoRa type messages by the remote server
  • FIG.7 illustrates a flowchart of the general steps of the method of the invention in one embodiment.
  • FIG. 1 illustrates a general architecture 100 of the main components of the system of the invention grouping together a plurality of electronic nodes (111 -1 to 111 -n) configured for the implementation of the principles of the invention, and able to communicate with a remote server 110 by wireless communication means configured to transmit and receive signals according to a communication protocol with low energy consumption such as an LPWAN protocol.
  • a communication protocol with low energy consumption such as an LPWAN protocol.
  • the system of the invention further comprises means 112 coupled (ie coupling to the ADSL internet, fibre, etc.) to the remote server 110, making it possible to recover data from the electronic nodes received by the server for display of results for an end user on a Human-Machine Interface (HMI).
  • HMI Human-Machine Interface
  • each node makes a local analysis according to its local knowledge, and in particular according to its own state, the knowledge of the transmitting node and the measured signals.
  • a local diagnosis can generate different cases of false positives, for example if a transmitter node fails during remission, its neighboring receiver node will not pick up a signal and will consider that the elongated waveguide is broken.
  • a global diagnosis is carried out at a level having knowledge of the state of the complete system, allowing a reliable decision.
  • the remote server 110 by the feedback of information from the plurality of electronic nodes, has the level of global knowledge of the system making it possible to carry out the global diagnosis.
  • the remote server 110 is configured as an application programming interface (API) implemented by a software library which allows communication with the electronic nodes for, on the one hand, retrieving/receiving the results of the acquisitions of the nodes, and on the other hand to transmit to them some specific instructions.
  • API application programming interface
  • the overall decision-making can take place at the level of the server or at the level of the HMI which then includes means for processing the information from the server.
  • the global decision making can be divided into a pre-processing at the level of the server 110 and a post-processing at the level of the HMI 112.
  • Figure 2 illustrates an example of implementation of the device of the invention for a railway application.
  • this example is not limiting and the man Those skilled in the art will be able to adapt the implementation described to any other application implementing an elongated structure that can act as an elastic waveguide.
  • the waveguide is a rail.
  • Figure 2 shows nodes 21 1 -1 , 211 -2 deployed along a railway track 200, communicating with a remote server 210 to send local diagnostic information according to a LoRa protocol.
  • a remote server 210 to send local diagnostic information according to a LoRa protocol.
  • a plurality of electronic nodes are installed along the track, typically every kilometer.
  • One or each pilot node ie is in communication with, one or more transducers (21 1 1 -1, 21 1 1 -2), transmits and/or receives signals, and communicates with a remote server 210 connected to a train traffic control station 212 making it possible to send an alert in the event of a serious defect identified on a rail.
  • the information is sent to a maintenance center or to the control station 212 to monitor the progression of the severity and plan a repair or a replacement of the rail.
  • Elastic wave transducers are arranged on each rail of the track.
  • the term "on” refers to one or more locations selected from: under the head either on the inner web of the rail and/or on the outer web of the rail, under the rail.
  • two transducers (21 1 1 -1, 21 1 1 -2) are arranged respectively on two rails 201, 202 close to the first node 21 1 -1
  • two transducers (21 12-1, 21 12-2) are arranged respectively on the two rails 201, 202 close to the second node 21 1 -2.
  • transducers can be arranged on the rails of a second railway track for the movement of trains in the other direction, these transducers being able to be coupled to the same electronic nodes as the first railway track.
  • a transducer is a device that converts one physical signal into another.
  • transducers There are a wide variety of transducers.
  • an electromagnetic acoustic transducer in English “ElectroMagneto-Acoustic Transducer”, acronym EMAT) can constitute an alternative to the use of a piezoelectric transducer (acronym PZT).
  • a transducer can be placed or fixed under the head of the rail.
  • the advantage of positioning close to the mushroom lies in the fact that the propagation takes place over a greater distance than in the core.
  • a transducer can be affixed to the rail (for example an EMAT sensor that does not require glue), temporarily glued (for example a PZT sensor) or permanently to the rail (rail instrumented ex-factory or on site).
  • a transducer can be placed or fixed on the internal and/or external web of the rail.
  • the transducers can be placed on both sides of the rail web, on the internal face or on the external face. Nevertheless, due to the existence of rail-road vehicles, which have wheels encroaching on the outer side, it may be advantageous to place or fix the transducers on the inner side.
  • the advantage of positioning on the internal wall of the rail web lies in the fact that external attacks are less likely than external ones. Nevertheless, the positions of the transducers can be variable (either temporarily or permanently). For example certain areas (e.g. high speed, bends, tunnel entrance, etc) can be densely instrumented.
  • An advantageous embodiment consists in using removable transducers, which can for example be removed during maintenance operations.
  • the characterization of one or more defects can be obtained by varying one or more positions of the transducers and/or by selecting certain transducers from among the plurality of transducers available.
  • FIG 3 illustrates different types of waves propagating between two transducers 2111 -1 and 2112-1.
  • Each transducer can function as both a transmitter and a receiver.
  • Several signals can then be used, these signals corresponding to: a wave 311, 313 transmitted from the transmitter 2111 -1 to the receiver 2112-1 and vice versa, as well as a reflected wave 312 when a transmitter 2111 -1 (or the 2112 -1 ) operates in pulse-echo (the same transducer acting as transmitter and receiver).
  • the acousto-elastic field designates the field of mechanical waves (sound, ultrasound, etc.) which propagate in a solid medium.
  • mechanical waves sound, ultrasound, etc.
  • the presence and/or absence of a transmitted and/or reflected wave provides information on the presence or absence of a local fault.
  • the absence of a transmitted wave provides information on a complete (or at least very severe) break in the rail between two transducers 21 1 1 -1 and 21 12-1 , but does not provide information on the location of the break.
  • the travel time of the reflected wave allows precise location of the breakage, the diagnosis being possibly reinforced by the reflected wave emitted by a transducer located on the other rail (for example 2112-2).
  • the transmitted wave 313 makes it possible to detect and possibly locate a fault 300 or even to characterize it (estimate its severity) , but this requires knowing precisely the travel time of the wave.
  • the receiver of a node needs to know precisely the emission top of the wave in order to calculate the signal observation window and measure the time of route.
  • the synchronization between transmitter and receiver must generally be less than a microsecond.
  • the measurements are performed substantially simultaneously by the transducers: the synchronization can be pre-arranged (arranged by circuits positioned along the track) or post-synchronized (by time shift). In both cases, a very precise clock is advantageously implemented.
  • the elastic waves follow (or come from) different propagation paths in the rail, and the measurements are carried out in pulse-echo, or in transmission, from transducers placed on the core of the rail and/or under the rail head.
  • Figure 4 illustrates an example of the structure of an electronic node 1 1 1 according to the invention making it possible to carry out a local diagnosis.
  • a node 111 comprises: an energy source 400 (eg battery-type power supply, solar panels, access to an external power supply, etc.); an electronic circuit comprising a circuit 410 for measuring waves rubber bands; a circuit 412 for transmitting elastic waves; storage components 414; a signal processing circuit 416 (FPGA, CPU or other for processing the signals received); a wireless communication circuit 418 (eg LoRa) coupled to an appropriate antenna 419 to send messages according to a communication protocol with low energy consumption; a GNSS receiver 420, for example of the GPS type including an antenna circuit 421 and on-board electronics.
  • an energy source 400 eg battery-type power supply, solar panels, access to an external power supply, etc.
  • an electronic circuit comprising a circuit 410 for measuring waves rubber bands; a circuit 412 for transmitting elastic waves; storage components 414; a signal processing circuit 416 (FPGA, CPU or other for processing the signals received); a wireless communication circuit 418 (eg LoRa) coupled to an appropriate antenna 419 to send messages according
  • a node is coupled to at least one transducer (e.g. 2111) of guided elastic waves, which is for example installed on a rail near the node.
  • transducer e.g. 2111
  • the calculation or signal processing circuit 416 is associated with calculation and/or memory resources 414.
  • the energy source 400 can be provided by dynamo systems recharged by the passage of trains on the railway and/or by one or more photovoltaic panels and/or by one or more wind masts.
  • the GNSS circuit 420 can be shared between several nodes.
  • a satellite positioning system known as GNSS (for Geolocation and Navigation by a Satellite System) is based on a constellation of artificial satellites making it possible to provide a user or a circuit (via a portable receiver) with its position. , its speed and time.
  • the GNSS circuits are associated with the transducers in such a way as to precisely timestamp the signals measured by the transducers, while guaranteeing sub-microsecond synchronization between two nodes several kilometers apart (the distance does not matter so much that there is GNSS coverage on the two nodes considered).
  • the time-stamping circuits and/or the calculation circuits and/or the GNSS circuits can be variously distributed in space (eg existence of centers, fully distributed system, hierarchical arrangement between nodes) .
  • the signal processing circuit 416 embedded in each node makes it possible, from the signals emanating from the elastic waves received from close neighboring nodes, to make a local diagnosis, concerning the presence or not of a fault locally.
  • the local computing circuit 416 is configured to determine or detect the existence of one or more local defects over a length of rail including a few transducers, from synchronized measurements of the elastic waves propagating in the rail.
  • a local fault can be determined - its existence, its location, its category - by applying predefined thresholds, said predefined thresholds being determined by reference to a real state, for example with respect to a state of the rail which is known as healthy or relative to a calibrated state of said rail, or by reference to a simulated state of the rail.
  • a defect can be characterized, in particular in terms of nature, size, orientation in space or geometry, by an analysis of amplitude and/or frequency and/or by an analysis of the shape of the signal and/or by an analysis of the frequency spectrum of the measurement signals and/or of the function representative of the impulse response of the rail and/or by the identification of a change in the mode of propagation of at least one of the waves propagating in the rail.
  • a defect can in particular be oriented horizontally or vertically. Based on signal analysis, position and size can be estimated. By learning or by comparison with charts taken from mathematical or numerical models, a quantitative characterization can make it possible to determine a type of defect (corrosion, crack, discontinuity, etc.).
  • the characterization of a defect can be done by differentiated diagnosis between the signal received being transmitted via the head of the rail and that being transmitted via the web of the rail. For example, if the signal is transmitted towards one end of the rail and not the other, it is possible to determine approximately the extent of the fault as well as its position in the section of the rail. If no signal is transmitted, it is likely that the break in the rail is almost complete.
  • the device of the invention makes it possible to trace all local diagnoses to a supervisor (analysis module of a remote server) which aggregates all the information to allow a global diagnosis and a characterization defect statement.
  • Each node having only partial information on the global system the local and simplified diagnosis carried out by a node is transmitted to the remote server in order to improve the diagnosis. Indeed, when a node does not receive a signal, the latter considers that there is a break in the rail whereas this may be due to the non-transmission of the signal by the transmitter. Also, the server which aggregates the information received from the nodes, will determine the state of said transmitting node. The analysis made at the remote server level thus makes it possible to refine fault detection and generate better decisions.
  • An implementation choice can be to have messages as short as possible, containing only binary information on the state of health of each section (for example '0' for 'healthy' and '1 ' for ' damaged'). More complete messages containing additional information such as the criticality or the position of the defect can also be transmitted, at lower frequencies.
  • FIG. 5 illustrates a firing sequence allowing the processing of LoRa type messages by the remote server.
  • each node performs an action (transmission or reception of a signal)
  • one node out of five is a transmitter ( in order to avoid any signal overlap)
  • a signal transmitted by a transmitting node is received on its left by its two close neighbors on the left and on its right by its two close neighbors on the right.
  • This mode of operation allows significant data redundancy, because each section between two nodes is tested 4 times out of 5. Thus, even in the event of failure of certain nodes, the area remains inspected.
  • the information that is sent from a node to the server is limited to the sole information of the presence or not of a fault.
  • a node depending on its 'transmitter node' or 'receiver node' state, can report one or two values.
  • a node in receiver mode, a node only receives a signal from one side at a time (from the neighboring sender node) and can send a value back to the server; in transmitter mode, a node can pick up pulse-echo signals arriving from the left and the right and send two values back to the server.
  • each node N o to N 7 sends to the server information on the state of the rail corresponding to the detection that it makes on the section covering its four neighboring nodes.
  • the information is fragmented because the node does not know the state of the complete system (for example for a node in reception, it does not know if the transmission took place or not for example).
  • the supervision module is configured to combine the local information in order to carry out a global diagnosis from the local diagnostics, and to take into account the global state of the system.
  • the server is configured to gather and post-process the results of the local detections of the nodes belonging to the same group or the same set, a set being defined as grouping together a sender node and the neighboring nodes on the left and on the right receiving the signal from this transmitter.
  • a group comprises 5 nodes composed of a transmitter node N n and four neighboring receiver nodes (N n+1 , N n+2 , N n _-i, N n.2 ) .
  • the global diagnostic process operated by the supervisor at the server level makes it possible to gather the information received (ie the values of the bits indicating the 'RAS/Default' health status of the section covered) of the neighboring receiver nodes N n+1 , N n+2 , N n _-i , N n.2 , as well as the pulse-echo information of right N nD and left pulse-echo N nG for the sending node N n .
  • the information received from a group of nodes for the same transmission allows the supervisor to compose a group frame of several bits (i.e. of 6 bits in the example of 5 nodes).
  • Table (I) below illustrates the construction of a 6-bit group frame from the information fed back by five nodes.
  • the frame indicates that there is no fault on the section going from node N n.2 to node N n , ie the values of N n.2 , N n -i, N nG being at “0”, and that there is a fault on the section going from node N n to node N n+2 , ie the values of N n o, N n+ i, N n+2 being at “1”.
  • a '0' is placed in the frame at the corresponding position, but if the node is not known to be faulty, a procedure for test should be performed. Conversely, if data is present in a message sent by a node when this node is listed as faulty, the state of the node must be automatically validated in order to verify by the global diagnostic procedure that the data is not false, then the system state can be updated.
  • the supervisor To carry out the aggregation of information, the supervisor must know at each instant the position of each transmitter node in the cycle.
  • the chosen reference is Unix time or Posix time, also called "Unix timestamp", which is a measure of time based on the number of seconds elapsed since January 1, 1970 00:00:00 UTC , and corresponding to a pair of 'date + time' information.
  • the 'date + time' data are included in the LoRa frames sent to the server, allowing the latter to calculate the position of each node for the analysis phase concerned.
  • the supervisor knows:
  • the time of the shot (t) it extracts from the frame, for example, the information ‘15961 14000’ corresponding to the date and time of Thursday 07/30/2020 1:00 p.m.;
  • w lil % 5
  • f is a function which will take integer values (ie from 0 to 4 for five phases ) and where % denotes the modulo operator.
  • a node will be identified as a sender node when the value obtained by solving equation (1) modulo the number of nodes per group is equal to the integer value of the function f(t).
  • the table (II) below illustrates for the example chosen from FIG. 5a, the identification of the transmitting nodes on the different firing phases, each row of the table corresponding to a phase A to E:
  • the function f(t) is '1' and it is the nodes Ni and N 6 which are identified in the transmitter position.
  • the process continues for each firing phase until the last firing phase E on 07/30/20 at 1:40 p.m. where the value of the function f(t) is equal to '4' and where the resolution of the equation (1) gives the node N 4 in the transmitter position.
  • the method makes it possible to reallocate to each other node of each group of nodes, its position as receiver node with respect to the transmitter node of the group of membership.
  • the method makes it possible to identify the 1st left receiver node, the 1st right receiver node, etc. depending on the number of nodes per group.
  • the method makes it possible, for each phase, to attribute to each node of a group of X nodes, a position bit value ranging from 1 to X+1 for designate the position of the node in a frame of X+1 bits.
  • the sending node is assigned two position bit values, one for its position as left node N n G and one for its position as right node N n o.
  • the left and right neighboring receiver nodes are each assigned a respective position bit value.
  • the method makes it possible to assign the values of position bits 3 and 4 to node N o and to node N 5 for the first phase, respectively the values of position bits 5 and 6 at the right neighboring nodes N 1; N 2 , and N 6 , N 7 , and respectively the values of bits at position 1 and 2 at the left neighboring nodes N 3 , N 4 .
  • the method makes it possible to apply a correction mask to each reconstructed frame in order to ignore certain results such as the beginnings/ends of lines (non-existent node), the known faulty nodes (transmitter or receiver) for example.
  • the frame correction step consists of applying a mask to a frame, the latter making it possible to ignore part of the frame (in the case of a faulty receiver), or the entire frame (in the case of a faulty or non-existent transmitter at the start/end of the line).
  • Table (IV) below illustrates the application of a mask for a line start frame, depending on the position of the sender node.
  • the method makes it possible to apply a frame correction mask.
  • the table (V) below illustrates an example application of a correction mask for a sequence of shots according to FIG. 5, in the case where node N 3 fails.
  • the mask applied is '011 1 1 ' on the nodes of the group (N 3 , N 4 , N 5 , N 6 , N 7 ), invalidating the value reported by the failing node N 3 and validating the values fed back by the nodes N 4 to N 7 .
  • phase D where node N 3 is a transmitter, and hypothetically known to be faulty, the mask applied to the frame formed by nodes Ni to N 5 is '00000' invalidating all of the values reported by these nodes.
  • the examples are not limiting and that any other mask configuration can be derived.
  • the step of applying a frame correction mask amounts to an ‘AND’ type logic operation between a value received from a node and the value defined for the node in the mask.
  • the method takes into account the corrected frames to perform an overall diagnosis in order to detect faults.
  • a correspondence table is defined to associate each corrected frame with a possibility of identifying a defect.
  • the correspondence table comprises 64 values (2 6 ).
  • the method makes it possible to carry out a differentiated analysis for the sections to the right and the sections to the left of a transmitter node. Indeed, it seems acceptable to consider that the inspections on the left and on the right of an emitter are independent, even if it is necessary to validate that the presence of a fault on the right of an emitter does not interact with receivers on the left because of echoes (especially for crack detection).
  • the method makes it possible to generate a list of the inspection results to the right and to the left of each transmitter node for each frame.
  • the left/right inspection can be performed by two binary operations combining the value of the corrected frame with the left analysis mask and with the right analysis mask:
  • Tables (VI) and (VII) illustrate respectively all the possible results of the left and right inspection operations for a 6-bit frame.
  • sections IV and V are inspected.
  • Section IV is inspected by nodes N 3 , N 4 and N 5
  • section V is inspected only by node N 5 .
  • the table (VIII) presents on each line corresponding to a firing phase (AE), the values received by the supervisor for each node (N o to N 7 ). In this case, since no node is faulty, the correction mask is equal to '11 1 1 11' and therefore does not change the result of the frames received.
  • the two other frames associated with N 3 and N 4 in the sequences D and E are frames symmetrical to the frames associated with Ni and N 2 , the detection then taking place on the right instead of on the left.
  • the table (IX) presents on each line corresponding to a firing phase (AE), the values received by the supervisor for each node (N o to N 7 ).
  • a correction mask will be applied to the frames to take into account the failure of the node.
  • the correction masks applied are then:
  • the left/right defect analysis is performed on the corrected frames, and produces the following results:
  • the configuration of the system comprises a transmitter node on three in order to avoid any signal overlap.
  • a sequence of firings from which an overall fault diagnosis is made is illustrated in a simplified manner in FIG. 6, with in a first phase A, the nodes N 2 and N 5 as transmitter nodes, the signal emitted by a transmitter node being received by a single neighbor on the left and a single neighbor on the right.
  • the signal emitted by the node N 2 is received on the left by the node Ni and on the right by the node N 3
  • the signal emitted by the node N5 is received on the left by the node N 4 and on the right by the node No. 6 .
  • the method 700 begins after a data acquisition time 702 which allows the server to receive the local diagnostic messages made by the electronic nodes.
  • the acquisition time can be fixed and predefined or configurable by the user. According to the example of figure 6, the acquisition time is chosen so that the analysis cycle covers the reception of messages corresponding to three firing phases A, B, C.
  • a next step 704 the method makes it possible to create group frames from the information received by each node.
  • frames are created for the group of nodes (N 1 ; N 2 , N 3 ) and for the group of nodes (N 4 , N 5 , N 6 ).
  • the content of a frame of a group ie the value of the '0' or '1' bits, corresponds to the local diagnosis reported by the sender node of said group.
  • the table (XI) illustrates an example of a 4-bit frame created for a group of 3 nodes (N n .i, N n , N n+ i) according to the example of FIG. 6:
  • a next step 706 the method makes it possible to calculate the position of the transmitter nodes for each phase.
  • the table (XII) illustrates for the example of Figure 6, the position of the transmitter nodes on each phase, calculated according to the equation (1): [0140]
  • the method makes it possible, in a following step 708, to identify the receiver nodes on the left and on the right neighboring each transmitter node, and to calculate a position bit value indicating the position of each node in each group frame and for each phase of the analysis cycle.
  • the table (XIII) illustrates for the example of FIG. 6, the position of each node in each group frame, on the different firing phases, indicated by position bit values:
  • the nodes N o , N 3 and N 6 identified as transmitter nodes have position bit values of 2 and 3; the nodes N 2 and N 5 identified as right receiver nodes have a position bit value equal to 1; the nodes Ni, N 4 and N 7 identified as left receiver nodes have a position bit value equal to 4.
  • the method makes it possible to correct the content of certain group frames, ie to modify or ignore bit values in order to take into account the beginnings and ends of lines and any failures of nodes already known in the group frames containing the nodes concerned.
  • the tables (XIV) and (XV) illustrate for the example of FIG. 6, respectively, a group frame correction mask to manage the domain edges (beginning/end of channel: nodes N. 2 and Ni non-existent), and a correction mask for faulty node (here the node N 3 ).
  • a next step 712 the method makes it possible, from the corrected group frames and the positions of the nodes in each group, to generate an overall diagnostic result as to the existence or not of a fault.
  • the method makes it possible to carry out a reduced inspection of the frames by a separate inspection of the left and right sections of a transmitter node, by combining the sequence of bits of the corrected frame with a sequence including only highlights bits for inspection at left, and combining the sequence of bits of the corrected frame with a sequence comprising only bits of weak points for the inspection on the right.
  • the tables (XVI) and (XVII) illustrate for the example of FIG. 6, respectively, the results of the inspection on the left and on the right, where the complete analysis table with 16 values (2 4 ) is reduced to the analysis of 8 values, 4 for the left inspection, and 4 for the right inspection.
  • the user is able to determine the healthy nodes (ie '0000'), the nodes which raise an exception (ie '0100'; '1000'; '0001'; '0010') and the nodes which reveal a defect in their intersection (ie '1100'; '0011').
  • the method is configured to trigger an additional test procedure aimed at determining whether the fault comes from one of the nodes of the intersection or from communication protocol failure.
  • a signal can be sent to the supervisor to update the network status and the correction masks to be applied.
  • the results of the analysis are generated and displayed on an HMI interface in a form directly usable by the user, visually indicating on a map of the track, for example the location of the fault(s). s), or in any other form suitable for the application.
  • the method makes it possible to send an alert to train drivers and/or to any traffic control system.
  • the method can also be adapted to transmit to a train entering the track on which a potential fault has been detected a braking command which is triggered according to the result of the analysis.
  • the invention can be implemented from hardware and/or software elements. It may be available as a computer program product on a computer-readable medium.
  • the medium can be electronic, magnetic, optical or electromagnetic.
  • the computing means or resources can be centralized and/or be distributed (“Cloud computing”), possibly with or according to peer-to-peer and/or virtualization and/or redundancy technologies.
  • the software code may be executed on any suitable processor (eg, a microprocessor) or processor core or set of processors, whether provided in a single computing device or distributed among multiple computing devices.
  • the computer implementation of the invention can use centralized systems (eg client-server or master-slave) and/or distributed systems (eg peer-to-peer type architecture using accessible computer resources, possibly opportunistically eg ad hoc networks, etc.).
  • the system (or its variants) implementing one or more of the steps of the method can use one or more dedicated electronic circuits or a circuit for general use.
  • the method can also be implemented on a reprogrammable calculation machine (a processor or a microcontroller, for example) executing a program comprising a sequence of instructions, or on a dedicated calculation machine (for example a set of logic gates such as an FPGA or an ASIC, or any other hardware module).
  • a dedicated circuit can notably improve performance.
  • references to a computer program which, when executed, performs any of the functions previously described, is not limited to an application program running on a single host computer. Rather, the terms computer program and software are used herein in a general sense to refer to any type of computer code (e.g., application software, firmware, microcode, APIs, web services, or any other form of computer instruction) that can be used to program one or more processors to implement process steps.
  • computer code e.g., application software, firmware, microcode, APIs, web services, or any other form of computer instruction

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Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de détection de défaut dans une structure allongée pouvant faire office de guide d'ondes élastiques, la structure allongée étant instrumentée d'une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d'ondes élastiques se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique, l'ensemble des dispositifs électroniques constituant un réseau de nœuds configurés pour traiter des signaux de mesure reçus d'au moins un transducteur. Le procédé est mis en œuvre par ordinateur et comprend des étapes consistant à: - effectuer une pluralité de diagnostics locaux de défaut, à partir de signaux de mesure reçus par une pluralité de dispositifs électroniques, lesdits signaux de mesure étant acquis pour plusieurs phases d'émission d'ondes élastiques; - transmettre vers un serveur distant selon un protocole de communication à faible consommation énergétique, des messages contenant des informations relatives à chaque diagnostic local, lesdits messages étant formatés selon ledit protocole de communication à faible consommation énergétique; - agréger les informations contenues dans lesdits messages reçus; et - effectuer un diagnostic global de défaut permettant de déterminer la présence ou non de défaut dans la structure allongée.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Système et Procédé pour la détection de défauts dans des guides d’ondes allongés.
[0001 ] Domaine de l’invention
[0002] L’invention concerne le domaine de la surveillance de structures par contrôle non destructif, et concerne en particulier la surveillance de structures comportant des guides d’ondes allongés.
[0003] Etat de la Technique
[0004] Dans le secteur ferroviaire, le rail est une structure allongée 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. L’entretien d’un réseau ferroviaire représente un enjeu majeur en termes de coût et de sécurité pour les opérateurs ferroviaires.
[0005] Plusieurs approches connues sont mises en oeuvre pour surveiller l’intégrité de rails.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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 transducteurs (pouvant être désignés comme capteurs) émettant des ondes élastiques guidées se propageant sur de longues distances (typiquement 1 km), et qui sont reliés à des dispositifs électroniques (un dispositif électronique est aussi désigné comme un « nœud électronique >> au sens de « hub >> mutualisant des ressources électroniques), l’ensemble des dispositifs électroniques constituant un réseau de nœuds configurés pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur. Les ondes interagissent avec les défauts, et les signaux diffractés par leur analyse 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 l/Vave Based Broken Rail Monitoring ». Ces technologies, et certaines variantes, sont actuellement commercialisées. Ces approches présentent néanmoins des limitations. Bien que la détection de casses franches soit globalement satisfaisante, la détection d’amorces de défauts, plus difficile, reste insuffisante, et les localisations de défauts ne sont pas précises. Ce problème technique fait l’objet de recherches contemporaines.
[0009] D’autres systèmes connus fondés également sur l’analyse d’ondes élastiques guidées sont ceux fonctionnant en « pulse-echo >>, permettent de détecter et de localiser un défaut via le signal réfléchi par ce défaut. Toutefois la mesure en pulse- echo seule 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 noeuds pour laquelle la distance d’écartement a été préalablement déterminée pour la mesure en transmission. Par ailleurs, ce type de système ne peut pas exploiter en même temps les signaux en transmission et en réflexion, pour renforcer le diagnostic. Les systèmes pulse-echo connus présentent une couverture limitée, qui reste confinée proche des noeuds du réseau. Dit autrement, les petits défauts sont impossibles à détecter en pratique loin des transducteurs avec les technologies actuelles.
[0010] 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, afin d’établir une synchronisation entre émetteur et récepteur, un système commercialisé connu dans le métier utilise une fibre optique déployée le long de la voie, cette fibre assurant la transmission d’un signal de synchronisation. Cependant, ce type de système fonctionnant à une fréquence très basse, les amorces de casse restent très difficiles à détecter. Par ailleurs, le déploiement d’une fibre optique le long d’une voie est très intrusif, en ce qu’il faut assurer une protection de la fibre (avec un cheminement spécial) tout le long de la voie pour éviter qu’elle ne soit endommagée. Ce point reste une fragilité majeure de ce type de système et impose un déploiement lourd sur une installation ferroviaire déjà en place, avec un coût de déploiement élevé. Enfin, la fibre optique induit une vulnérabilité qui va entrainer un dispositif de maintenance complexe. En particulier, en cas de défaillance et/ou de modification de la voie (par exemple du à l’ajout d’une éclisse), l’ajout ou le retrait de noeuds est une opération excessivement délicate car les noeuds sont chainés. Il faut nécessairement une opération de câblage sur la fibre. De plus, la fibre optique étant intrinsèquement fragile, elle est impropre à des usages en environnement difficile.
[0011] Aussi, au vu des limitations évoquées, il existe un besoin industriel pour des procédés et des systèmes qui pallient les inconvénients des systèmes existants et qui permettent de détecter des défauts de type usure, amorces de casse ou casses franches dans des structures allongées.
[0012] Résumé de l’invention [0013] La présente invention peut être utilisée pour la surveillance de câbles, tuyaux ou toute autre structure allongée, c’est-à-dire possédant une direction privilégiée, pouvant faire office de guide d’ondes élastiques, et pour lesquelles la technique de surveillance est basée sur l’analyse d’ondes élastiques guidées. L’analyse de la propagation des ondes permet de renseigner sur l’intégrité du guide d’ondes et donc sur la présence ou non de défaut.
[0014] Différentes structures industrielles se présentent sous la forme de guides d’ondes élastiques allongés : par exemple un rail dans le domaine ferroviaire ou dans des structures de type portique. Un tuyau transportant un fluide est aussi une structure allongée pour laquelle il peut être critique de s’assurer l’intégrité (notamment dans les domaines pétroliers ou nucléaires). De même l’invention peut s’appliquer pour la surveillance de câbles, par exemple pour les systèmes de transport de passagers (téléphérique ou autre).
[0015] Un objet de la présente invention est un dispositif de détection de défaut dans un guide d’ondes allongé, notamment un rail de voie ferrée, basé sur l’analyse d’ondes élastiques. Le dispositif de l’invention est compact et offre un déploiement et une maintenance simplifiés.
[0016] Avantageusement, le dispositif est composé d’éléments séparés permettant une installation et des mises à jour de type « plug-and-play ». Il est ainsi possible d’ajouter, d’enlever un ou plusieurs éléments sans modification conséquente de l’installation générale. Ce type de modification peut être aisément effectué par voie logicielle, là où par contraste, les systèmes connus sont « chaînés >>, i.e. nécessitant le cas échéant des opérations délicates (e.g. sur la fibre optique, en matière de routage radio, etc.). Avantageusement, les coûts de déploiement et de maintenance du dispositif selon l’invention sont donc nettement réduits par rapport aux systèmes existants.
[0017] Dans une mise en oeuvre générale, le dispositif de l’invention comprend un ensemble de dispositifs électroniques installés le long d’une structure à surveiller, constituant un réseau de noeuds configurés pour : émettre et recevoir des signaux ; piloter des transducteurs d’ondes élastiques guidées ; traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur ; et communiquer selon un protocole de communication à faible consommation énergétique des messages à un serveur distant. Le serveur distant est configuré pour : combiner des messages contenant des informations de diagnostic local réalisé par des noeuds électroniques; et effectuer un diagnostic de défaut global et précis par agrégation des diagnostics locaux.
[0018] Dans une implémentation, chaque nœud comprend une source d’énergie, des moyens d’émission d’ondes élastiques, des moyens de mesure d’ondes élastiques, des moyens de stockage, des moyens de traitement de signaux pour détecter des défauts, des moyens de communication à faible consommation énergétique pour communiquer via une antenne adaptée vers un serveur distant, une antenne pour la réception de signaux de type GNSS (Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites).
[0019] Avantageusement, la présente invention permet un déploiement simplifié, économe en énergie au cours du fonctionnement, i.e. ne nécessitant pas de réseau électrique, limitant la taille des batteries, et présentant de faibles contraintes en termes de couverture de télécommunication. Ces avantages sont obtenus par l’utilisation de protocoles de communication à faible consommation énergétique tel que par exemple le protocole « LoRaWAN >> qui est l'acronyme de « Long Range Wide-area network » ou « réseau étendu à longue portée >>. D’autres réseaux étendus à faible consommation énergétique, définis de manière générique par le terme anglais : « LPWAN >> pour « Low Power Wide Area Network >> peuvent être utilisés.
[0020] Les protocoles de communication à faible consommation énergétique utilisent des fréquences radio libres, ils sont alors peu coûteux en termes de déploiement, et il est possible de les déployer sur un site si aucun réseau préexistant n’y est disponible, contrairement à des déploiements 4G.
[0021] Ce type de protocole de communication à faible consommation énergétique, ne permettant pas la communication de fichiers volumineux, le dispositif de la présente invention est configuré pour que des algorithmes de détection de défaut soient embarqués dans chaque nœud électronique pour faire du diagnostic local et pour remonter vers un serveur distant le résultat. Avantageusement, les messages générés par les nœuds peuvent se limiter à quelques bits (i.e. fournir une information binaire OUI/NON indiquant que le guide d’ondes allongé est ou n’est pas endommagé) ou contenir quelques octets (i.e. fournir un message un peu plus élaboré contenant de l’information plus fine, par exemple sur un niveau de criticité de défaut, une localisation, un type...).
[0022] Dans un mode de réalisation, un serveur distant récupère les messages issus des noeuds, afin de mettre en commun les informations locales remontées par chaque nœud, et raffiner le diagnostic pour garantir les détections de défauts réels et limiter les faux positifs.
[0023] Avantageusement, les modes de réalisation de l’invention permettent de réaliser localement par chaque nœud un diagnostic local de défaut, de transmettre à un serveur distant par un protocole de communication à faible consommation énergétique une information simplifiée sur l’état de santé du nœud et d’une portion du guide d’ondes allongé réduite à quelques nœuds. Après analyse et traitement au niveau du serveur (ou par un module superviseur) de l’ensemble des informations basiques reçues, le procédé de l’invention permet de déterminer la présence d’un probable défaut, que ce soit une cassure franche, une amorce de casse ou une usure, et permettre de prendre une décision en conséquence (par exemple arrêt de circulation sur une voie ferrée, programmation de maintenance, ...).
[0024] Avantageusement, les modes de réalisation de l’invention permettent de détecter et localiser des amorces de casse (e.g. de type fissure), permettant d’anticiper une rupture prochaine et planifier des opérations de maintenance (réparation/remplacement de la zone endommagée) ou une surveillance au cours du temps. De la sorte, des arrêts de trafic pénalisants pour les usagers peuvent être évités.
[0025] Avantageusement, et par contraste avec les technologies actuelles, les modes de réalisation de l’invention permettent dans le domaine ferroviaire de détecter des amorces de casse sur le champignon et sur l’âme du rail grâce à l’exploitation concomitante des signaux en pulse-echo et en transmission.
[0026] Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé de détection de défaut dans une structure allongée pouvant faire office de guide d’ondes élastiques, la structure étant instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes élastiques se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique, l’ensemble des dispositifs électroniques constituant un réseau de noeuds configurés pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur, le procédé étant mis en oeuvre par ordinateur et comprenant les étapes consistant à:
- effectuer une pluralité de diagnostics locaux de défaut, à partir de signaux de mesure reçus par une pluralité de dispositifs électroniques, lesdits signaux de mesure étant acquis pour plusieurs phases d’émission d’ondes élastiques ;
- transmettre vers un serveur distant selon un protocole de communication à faible consommation énergétique, des messages contenant des informations relatives à chaque diagnostic local, lesdits messages étant formatés selon ledit protocole de communication à faible consommation énergétique;
- agréger les informations contenues dans lesdits messages reçus ; et
- effectuer un diagnostic global de défaut permettant de déterminer la présence ou non de défaut dans ladite structure allongée.
[0027] Selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés:
- chaque dispositif électronique comprend un circuit de traitement du signal, et l’étape d’effectuer une pluralité de diagnostics locaux consiste à mettre en oeuvre un algorithme de détection de défaut par chaque circuit de traitement du signal pour générer un diagnostic local ;
- l’étape de transmission consiste à transmettre des messages entre la pluralité de dispositifs électroniques et le serveur distant selon un protocole de type LPWAN ;
- l’étape de transmission consiste à transmettre des messages au format LoRa selon un protocole de communication LoRaWan ;
- l’étape de transmission consiste à transmettre des messages contenant au moins une information binaire de présence ou d’absence de défaut ;
- l’étape d’agrégation comprend des étapes consistant à :
- - créer des trames de groupe, un groupe regroupant n noeuds et étant composé d’un nœud émetteur et de n-1 nœuds récepteurs, une trame de groupe ayant un nombre n+1 de bits, la valeur de n-1 bits correspondant à une information de diagnostic local reçue d’un nœud récepteur, et la valeur de deux bits correspondant à une information de diagnostic local de pulse-écho de droite et de gauche reçue du nœud émetteur ; et
- - calculer pour chaque trame de groupe et pour chaque phase, une position pour chaque nœud en tant que position de nœud émetteur ou position de nœud récepteur ; le procédé comprend de plus une étape consistant à corriger le contenu de certaines trames de groupe ; l’étape d’effectuer un diagnostic global de défaut consiste, à partir des trames de groupe corrigées ou non, et des positions des nœuds dans chaque groupe, à générer un résultat de diagnostic global qui liste pour chaque groupe de nœuds dans chaque phase, une valeur représentative de l’état de chaque nœud du groupe pour chaque phase, permettant de déterminer si le nœud est sain ou défaillant ou s’il lève une exception ; le procédé comprend de plus une étape consistant à déterminer la localisation ou la sévérité d’un défaut en cas de détermination de la présence d’un défaut. le procédé comprend de plus une étape consistant à afficher le résultat du diagnostic global de défaut.
[0028] L’invention couvre aussi un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code non transitoire permettant d’effectuer les étapes du procédé de l’invention, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.
[0029] L’invention couvre de plus un dispositif de détection de défaut dans une structure allongée pouvant faire office de guide d’ondes élastiques, la structure allongée étant instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes élastiques se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique, l’ensemble des dispositifs électroniques constituant un réseau de nœuds configurés pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur, le dispositif de détection de défaut comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé de l’invention.
[0030] Dans un mode de réalisation, le dispositif électronique comprend au moins : une source d’énergie ; un circuit de mesure d’ondes élastiques ; un circuit d’émission d’ondes élastiques ; des composants de stockage ; un circuit de traitement du signal ; un circuit de communication sans fil couplé à une antenne pour envoyer des messages selon un protocole de communication à faible consommation énergétique; un récepteur GNSS. [0031] L’invention couvre aussi un système de surveillance de l’état de voies ferrées basé sur l’analyse d’ondes élastiques guidées dans les rails, le système comprenant une pluralité de dispositifs de détection de défaut selon l’invention.
[0032] Description des figures
[0033] 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 :
[0034] [Fig.1 ] illustre un exemple d’architecture générale permettant de mettre en oeuvre le dispositif selon l’invention;
[0035] [Fig.2] illustre un exemple d’implémentation du dispositif de l’invention pour une application ferroviaire ;
[0036] [Fig. 3] illustre différents types d’ondes se propageant entre deux transducteurs ;
[0037] [Fig.4] illustre un exemple de structure d’un nœud électronique selon l’invention permettant de faire un diagnostic local ;
[0038] [Fig.5] illustre une séquence de tirs permettant le traitement de messages de type LoRa par le serveur distant ;
[0039] [Fig.6] illustre une autre séquence de tirs permettant le traitement de messages de type LoRa par le serveur distant
[0040] [Fig.7] illustre un logigramme des étapes générales du procédé de l’invention dans un mode de réalisation.
[0041] Description détaillée
[0042] La figure 1 illustre une architecture générale 100 des principaux composants du système de l’invention regroupant une pluralité de nœuds électroniques (111 -1 à 111 -n) configurés pour la mise en œuvre des principes de l’invention, et pouvant communiquer avec un serveur distant 110 par des moyens de communication sans fil configurés pour émettre et recevoir des signaux selon un protocole de communication à faible consommation énergétique tel qu’un protocole LPWAN. L’homme du métier pourra adapter les principes de la présente invention à différents protocoles à faible consommation énergétique, comme le protocole LoRaWAN. On désignera par la suite « LoRa >> la communication (protocole, technologie, format de messages) entre les nœuds et le serveur distant. Le système de l’invention comprend de plus des moyens 112 couplés (i.e. couplage à l’internet ADSL, fibre, ...) au serveur distant 110, permettant de récupérer des données des nœuds électroniques reçues par le serveur pour affichage de résultats pour un utilisateur final sur une Interface Homme-Machine (IHM).
[0043] L’utilisation d’un mode de communication LoRa ne permet la transmission que de peu de données. Etant donné les limitations des communications LoRa, les nœuds ne peuvent pas prendre de décision en ayant la connaissance totale du système. Aussi, les nœuds électroniques réalisent un traitement sur les signaux bruts reçus (émanant d’ondes élastiques) qui permet d’extraire des informations pertinentes afin de ne transmettre que celles-ci au serveur. Ainsi, selon les principes de l’invention, chaque nœud fait une analyse locale en fonction de sa connaissance locale, et en particulier en fonction de son propre état, de la connaissance du nœud émetteur et des signaux mesurés. Cependant un tel diagnostic local peut engendrer différents cas de faux positifs, par exemple si un nœud émetteur est défaillant lors de rémission, son nœud voisin récepteur ne captera pas de signal et considérera que le guide d’ondes allongé est rompu. Aussi, pour limiter ces cas, selon les principes de l’invention, un diagnostic global est réalisé à un niveau ayant une connaissance de l’état du système complet, permettant une décision fiable. Le serveur distant 110, par la remontée des informations de la pluralité des nœuds électroniques, a le niveau de connaissance globale du système permettant d’effectuer le diagnostic global.
[0044] Dans un mode de réalisation, le serveur distant 110 est configuré comme une interface de programmation applicative (API) mise en œuvre par une bibliothèque logicielle qui permet la communication avec les nœuds électroniques pour d’une part récupérer/recevoir les résultats des acquisitions des nœuds, et d’autre part leur transmettre quelques instructions spécifiques.
[0045] La prise de décision globale peut intervenir au niveau du serveur ou au niveau de l’IHM qui comprend alors des moyens pour traiter les informations du serveur. Dans une variante, la prise de décision globale peut être partagée en un prétraitement au niveau du serveur 110 et un post-traitement au niveau de l’IHM 112.
[0046] La figure 2 illustre un exemple d’implémentation du dispositif de l’invention pour une application ferroviaire. Cependant, cet exemple est non limitatif et l’homme du métier pourra adapter l’implémentation décrite à toute autre application mettant en oeuvre une structure allongée pouvant faire office de guide d’ondes élastiques. Dans l’exemple décrit, le guide d’ondes est un rail.
[0047] La, figure 2 montre des noeuds 21 1 -1 , 211 -2 déployés le long d’une voie ferrée 200, communiquant avec un serveur distant 210 pour envoyer des informations de diagnostic local selon un protocole LoRa. L’homme du métier comprend que l’exemple est pris pour décrire les principes de l’invention mais n’est pas limitatif quant au nombre de noeuds pouvant être déployés et à la distance entre les noeuds. Dans une implémentation, une pluralité de noeuds électroniques sont installés le long de la voie, typiquement tous les kilomètres.
[0048] Un ou chaque nœud pilote, i.e. est en communication avec, un ou plusieurs transducteurs (21 1 1 -1 , 21 1 1 -2), émet et/ou reçoit des signaux, et communique avec un serveur distant 210 relié à un poste de commande 212 de la circulation des trains permettant d’envoyer une alerte en cas de défaut grave identifié sur un rail.
[0049] Si un défaut plus mineur est détecté, l’information est remontée à un centre de maintenance ou au poste de commande 212 pour suivi de la progression de la sévérité et planification d’une réparation ou un remplacement du rail.
[0050] Des transducteurs d’ondes élastiques sont disposés sur chaque rail de la 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 l’exemple illustré, deux transducteurs (21 1 1 -1 , 21 1 1 -2) sont disposés respectivement sur deux rails 201 , 202 à proximité du premier nœud 21 1 -1 , et deux transducteurs (21 12-1 , 21 12-2) sont disposés respectivement sur les deux rails 201 , 202 à proximité du second nœud 21 1 -2. Bien que non décrit, des transducteurs peuvent être disposés sur les rails d’une seconde voie ferrée pour la circulation des trains dans l’autre sens, ces transducteurs pouvant être couplés aux mêmes nœuds électroniques que la première voie ferrée.
[0051 ] 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 transducteur piézoélectrique (acronyme PZT).
[0052] Un transducteur peut être posé ou fixé sous le champignon du rail. L’avantage d’un positionnement à proximité du champignon réside dans le fait que la propagation se fait sur une plus grande distance que dans l’âme. Un transducteur peut être apposé au rail (par exemple un capteur EMAT ne nécessitant pas de colle), collé de manière temporaire (par exemple un capteur PZT) ou permanente au rail (rail instrumenté en sortie d’usine ou sur place).
[0053] Dans une variante, un transducteur peut être posé ou fixé sur l’âme interne et/ou externe du rail. Les transducteurs 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 transducteurs 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 transducteurs 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.
[0054] Un mode de réalisation avantageux consiste à utiliser des transducteurs amovibles, qui peuvent par exemple être enlevés lors d’opérations de maintenance.
[0055] La caractérisation d’un ou plusieurs défauts peut être obtenue en faisant varier une ou plusieurs positions des transducteurs et/ou en sélectionnant certains transducteurs parmi la pluralité de transducteurs disponibles.
[0056] La figure 3 illustre différents types d’ondes se propageant entre deux transducteurs 2111 -1 et 2112-1 . Chaque transducteur peut fonctionner à la fois comme émetteur et comme récepteur. Plusieurs signaux sont alors exploitables, ces signaux correspondants à : une onde 311 , 313 transmise de l’émetteur 2111 -1 au récepteur 2112-1 et inversement, ainsi qu’une onde réfléchie 312 lorsqu’un émetteur 2111 -1 (ou le 2112-1 ) fonctionne en pulse-echo (le même transducteur jouant le rôle d’émetteur et de récepteur).
[0057] 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).
[0058] La présence et/ou l’absence d’onde transmise et/ou réfléchie renseigne sur la présence ou non de défaut localement.
[0059] L’absence d’onde transmise renseigne sur une rupture complète (ou tout du moins très sévère) du rail entre deux transducteurs 21 1 1 -1 et 21 12-1 , mais ne renseigne pas sur une localisation de la rupture. 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 un transducteur situé sur l’autre rail (par exemple 2112-2).
[0060] En cas de défaut moins sévère qu’une rupture complète du rail (amorce de casse ou fissure par exemple), l’onde transmise 313 permet de détecter et éventuellement de localiser un défaut 300 voire de le caractériser (estimer sa sévérité), mais cela nécessite de connaître précisément le temps de parcours de l’onde. Vues les vitesses de propagation mises en jeu (typiquement 3000 m/s), le récepteur d’un nœud a besoin de connaître précisément le top d’émission de l’onde 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. Les mesures sont effectuées sensiblement simultanément par les transducteurs : 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.
[0061 ] Dans un mode de réalisation, les ondes 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 transducteurs placés sur l’âme du rail et/ou sous le champignon du rail.
[0062] La figure 4 illustre un exemple de structure d’un nœud électronique 1 1 1 selon l’invention permettant de faire un diagnostic local.
[0063] Généralement, un nœud 1 1 1 comprend : une source d’énergie 400 (e.g. alimentation électrique de type batterie, panneaux solaires, accès à une alimentation externe, etc.) ; un circuit électronique comprenant un circuit 410 de mesure d’ondes élastiques ; un circuit 412 d’émission d’ondes élastiques ; des composants 414 de stockage ; un circuit 416 de traitement du signal (FPGA, CPU ou autre pour le traitement des signaux reçus) ; un circuit 418 de communication sans fil (e.g. LoRa) couplé à une antenne 419 appropriée pour envoyer des messages selon un protocole de communication à faible consommation énergétique; un récepteur GNSS 420, par exemple de type GPS incluant un circuit d’antennes 421 et l’électronique embarquée.
[0064] Un nœud est couplé à au moins un transducteur (e.g. 2111 ) d’ondes élastiques guidées, qui est par exemple installé sur un rail à proximité du nœud.
[0065] Le circuit de calcul ou de traitement du signal 416 est associé à des ressources de calcul et/ou de mémoire 414.
[0066] La source d’énergie 400 peut être fournie par des systèmes dynamos rechargés par le passage des trains sur la voie ferrée et/ou par un ou plusieurs panneaux photovoltaïques et/ou par un ou plusieurs mâts éoliens.
[0067] Le circuit GNSS 420 peut être partagé entre plusieurs nœuds. 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 transducteurs de manière à horodater précisément les signaux mesurés par les transducteurs, 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).
[0068] Dans certains modes de réalisation, 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).
[0069] Le circuit de traitement de signaux 416 embarqué dans chaque nœud permet à partir des signaux émanant des ondes élastiques reçus des nœuds voisins proches, de faire un diagnostic local, concernant la présence ou non d’un défaut localement. Le circuit de calcul local 416 est configuré pour déterminer ou détecter l’existence d’un ou de plusieurs défauts locaux sur une longueur de rail incluant quelques transducteurs, à partir de mesures synchronisées des ondes élastiques se propageant dans le rail.
[0070] Un défaut local peut être déterminé - son existence, sa localisation, sa 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 qui est connu comme sain ou par rapport à un état calibré dudit rail, ou par référence à un état simulé du rail.
[0071] Un défaut peut être caractérisé, notamment en matière de nature, de taille, d’orientation dans l’espace ou de géométrie, par une analyse d’amplitude et/ou de fréquence et/ou par une analyse de la forme du signal et/ou par une analyse du spectre fréquentiel des signaux de mesure et/ou de la fonction représentative de la réponse impulsionnelle du rail et/ou par l’identification d’un changement de mode de propagation d’au moins une des ondes se propageant dans le rail.
[0072] 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).
[0073] La caractérisation d’un défaut peut se faire 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. Pour palier les incertitudes de diagnostic, avantageusement le dispositif de l’invention permet de remonter tous les diagnostics locaux vers un superviseur (module d’analyse d’un serveur éloigné) qui agrège l’ensemble des informations pour permettre un diagnostic global et une caractérisation précise de défaut.
[0074] Chaque nœud n’ayant qu’une information parcellaire sur le système global, le diagnostic local et simplifié réalisé par un nœud est transmis au serveur distant afin d’améliorer le diagnostic. En effet, lorsqu’un nœud ne reçoit pas de signal, ce dernier considère qu’il y a une rupture de rail alors que cela peut provenir de la non-émission du signal par l’émetteur. Aussi, le serveur qui agrège les informations reçues des noeuds, va déterminer l’état dudit nœud émetteur. L’analyse faite au niveau du serveur distant permet ainsi de raffiner la détection de défaut et engendrer de meilleures décisions.
[0075] Différents scénarios de transmission des informations locales reçues par chaque nœud vers le serveur distant sont possibles, permettant plus ou moins de communications dans la journée. Un choix d’implémentation peut être celui d’avoir des messages les plus courts possibles, ne contenant qu’une information binaire sur l’état de santé de chaque tronçon (par exemple ‘0’ pour ‘sain’ et ‘1 ’ pour ‘endommagé’). Des messages plus complets contenant des informations supplémentaires telles que la criticité ou la position du défaut peuvent également être émis, à des fréquences moins élevées.
[0076] La figure 5 illustre une séquence de tirs permettant le traitement de messages de type LoRa par le serveur distant.
[0077] Sur l’exemple de la figure 5, cinq phases A, B, C, D, E sont illustrées pour couvrir une séquence de tirs (i.e. d’émission de signaux) complète. Dans cet exemple qui est simplifié pour faciliter la description mais qui est non limitatif, les hypothèses sont qu’à chaque phase (A à E), chaque nœud réalise une action (émission ou réception de signal), un nœud sur cinq est émetteur (afin d’éviter tout recouvrement de signal), et un signal émis par un nœud émetteur est reçu à sa gauche par ses deux proches voisins de gauche et à sa droite par ses deux proches voisins de droite. Ce mode de fonctionnement permet une importante redondance des données, car chaque section entre deux nœuds est testée 4 fois sur 5. Ainsi même en cas de défaillance de certains nœuds la zone reste inspectée.
[0078] Pour une inspection complète d’une voie, l’homme du métier comprend qu’il y a lieu de dupliquer les séquences pour tester séparément la tête et l’âme du rail.
[0079] Par souci de simplification de description, l’information qui est remontée d’un nœud vers le serveur est limitée à la seule information de la présence ou non d’un défaut.
[0080] Dans un mode de réalisation, la présence d’un défaut peut être codée par une valeur binaire (0=RAS : absence de défaut ; 1 =Défaut : présence de défaut). A chaque phase, un nœud selon son état ‘nœud émetteur’ ou ‘nœud récepteur’, peut remonter une ou deux valeurs. En effet en mode récepteur, un nœud ne reçoit un signal que d’un côté à la fois (du nœud émetteur voisin) et peut remonter vers le serveur une valeur ; en mode émetteur, un nœud peut capter des signaux en pulse- echo arrivant de la gauche et de la droite et remonter vers le serveur deux valeurs.
[0081 ] A chaque phase (A à E), chaque nœud No à N7 envoie vers le serveur une information sur l’état du rail correspondant à la détection qu’il fait sur le tronçon couvrant ses quatre nœuds voisins. L’information est parcellaire car le nœud ne connaît pas l’état du système complet (par exemple pour un nœud en réception, il ne sait pas si l’émission a eu lieu ou non par exemple).
[0082] L’ensemble des informations parcellaires est envoyé au serveur pour un traitement global. Le module de supervision est configuré pour combiner les informations locales afin d’effectuer un diagnostic global à partir des diagnostics locaux, et prendre en compte l’état global du système.
[0083] Dans un mode de réalisation, le serveur est configuré pour rassembler et posttraiter les résultats des détections locales des nœuds appartenant à un même groupe ou un même ensemble, un ensemble étant défini comme regroupant un nœud émetteur et les nœuds voisins de gauche et de droite recevant le signal de cet émetteur.
[0084] Dans l’exemple illustré, un groupe comprend 5 nœuds composé d’un nœud émetteur Nn et de quatre nœuds récepteurs voisins (Nn+1, Nn+2, Nn_-i , Nn.2). Pour un nœud émetteur Nn, le procédé de diagnostic global opéré par le superviseur au niveau du serveur (ou selon une variante de réalisation dans une unité de calcul déportée et couplé au serveur), permet de rassembler les informations reçues (i.e. les valeurs des bits indiquant l’état de santé ‘RAS/Défaut’ du tronçon couvert) des nœuds récepteurs voisins Nn+1, Nn+2, Nn_-i , Nn.2, ainsi que les informations de pulse- echo de droite NnD et pulse-echo de gauche NnG pour le nœud émetteur Nn.
[0085] Les informations reçues d’un groupe de nœuds pour une même émission permettent au superviseur de composer une trame de groupe de plusieurs bits (i.e. de 6 bits dans l’exemple de 5 nœuds).
[0086] Le tableau (I) ci-dessous illustre la construction d’une trame de groupe de 6 bits à partir des informations remontées par cinq nœuds. La trame indique qu’il n’y a pas de défaut sur le tronçon allant du nœud Nn.2 au nœud Nn, i.e. les valeurs de Nn.2, Nn-i, NnG étant à « 0 », et qu’il y a un défaut sur le tronçon allant du nœud Nn au nœud Nn+2, i.e. les valeurs de Nno, Nn+i, Nn+2 étant à « 1 >>.
[0088] Dans le cas de données non présentes dans les messages envoyés par les nœuds au superviseur, un ‘0’ est mis dans la trame à la position correspondante, mais si le nœud n’est pas connu comme étant défaillant, une procédure de test doit être réalisée. A contrario, si une donnée est présente dans un message remonté par un nœud alors que ce nœud est répertorié comme défaillant, l’état du nœud doit être automatiquement validé afin de vérifier par la procédure de diagnostic global que les données ne sont pas fausses, puis l’état du système peut être mis à jour.
[0089] Pour réaliser l’agrégation des informations, le superviseur doit connaître à chaque instant la position de chaque nœud émetteur dans le cycle.
[0090] Cependant pour garantir la stabilité du système, il est important d’utiliser une référence unique afin d’empêcher toute désynchronisation des nœuds (et risquer d’arriver à une situation par exemple où 2 nœuds seraient émetteurs en même temps). Dans un mode de réalisation, la référence choisie est l'heure Unix ou heure Posix, aussi appelée « Unix timestamp >> qui est une mesure du temps basée sur le nombre de secondes écoulées depuis le 1 er janvier 1970 00:00:00 UTC, et correspondant à un couple d’information ‘date + heure’.
[0091 ] Avantageusement, afin de garantir que le superviseur ne mélange pas des trames, même si lors d’une communication plusieurs messages sont envoyés en même temps, les données ‘date + heure’ sont incluses dans les trames LoRa envoyées vers le serveur, permettant à ce dernier de calculer la position de chaque nœud pour la phase d’analyse concernée.
[0092] Pour déterminer la position des nœuds émetteurs, le superviseur connaît :
- L’heure du tir (t): il extrait de la trame par exemple l’information ‘15961 14000’ correspondant à la date et l’heure du jeudi 30/07/2020 13h00 ;
- Le délai de répétition entre chaque phase (A, B, C...) : par exemple 600s correspondant à un tir toutes les 10 minutes ; et
- Le nombre de noeuds par groupe: 5 dans l’exemple choisi.
[0093] La position d’un nœud émetteur est alors calculée par la résolution de l’équation (1 ) suivante : w = lil % 5 où f est une fonction qui va prendre des valeurs entières (i.e. de 0 à 4 pour cinq phases) et où % désigne l’opérateur modulo. Un nœud sera identifié nœud émetteur quand la valeur obtenue par la résolution de l’équation (1 ) modulo le nombre de nœuds par groupe est égale à la valeur entière de la fonction f(t).
[0094] Le tableau (II) ci-dessous illustre pour l’exemple choisi de la figure 5a, l’identification des nœuds émetteurs sur les différentes phases de tir, chaque ligne du tableau correspondant à une phase A à E :
[0095]
Tableau
[0096] Ainsi pour la première phase de tir A, initiée le 30/07/20 à 13h00, la valeur de la fonction f(t) est égale à ‘0’ ; la résolution de l’équation (1 ) donne f(t) = 0 pour les nœuds No et N5 qui sont alors identifiés comme étant en position émetteur. Pour la deuxième phase de tir B, initiée le 30/07/20 à 13h 10, la fonction f(t) vaut ‘1 ’ et ce sont les nœuds Ni et N6 qui sont identifiés en position émetteur. Le procédé se poursuit pour chaque phase de tir jusqu’à la dernière phase de tir E du 30/07/20 à 13h40 où la valeur de la fonction f(t) est égale à ‘4’ et où la résolution de l’équation (1 ) donne le nœud N4 en position émetteur. [0097] Lorsque tous les noeuds émetteurs d’une séquence complète de tirs sont identifiés, le procédé permet ensuite de réattribuer à chaque autre nœud de chaque groupe de nœuds, sa position en tant que nœud récepteur par rapport au nœud émetteur du groupe d’appartenance. Ainsi, le procédé permet d’identifier le 1 er nœud récepteur gauche, le 1 er nœud récepteur droit, etc. selon le nombre de nœuds par groupe.
[0098] A partir de l’identification des nœuds émetteurs et récepteurs, le procédé permet pour chaque phase, d’attribuer à chaque nœud d’un groupe de X nœuds, une valeur de bit de position allant de 1 à X+1 pour désigner la position du nœud dans une trame de X+1 bits. Le nœud émetteur se voit assigner deux valeurs de bits de position, une pour sa position en tant que nœud de gauche NnG et une pour sa position en tant que nœud de droite Nno. Les nœuds récepteurs voisins de gauche et de droite se voient chacun attribuer une valeur de bit de position respective.
[0099] En reprenant l’exemple de la figure 5, à partir du tableau d’identification des nœuds émetteurs, le procédé permet d’assigner les valeurs de bits de position 3 et 4 au nœud No et au nœud N5 pour la première phase, respectivement les valeurs de bits de position 5 et 6 aux nœuds voisins de droite N1 ; N2 , et N6, N7, et respectivement les valeurs de bits de position 1 et 2 aux nœuds voisins de gauche N3, N4.
[0100] Le tableau (III) ci-dessous illustre pour l’exemple choisi de la figure 5a, les valeurs de bits de position de chaque nœud dans une trame pour chaque groupe, sur les différentes phases de tir, chaque ligne du tableau correspondant à une phase A à E :
[0101 ]
Tab eau (III)
[0102] A partir de la position de chaque nœud dans la trame, le procédé opéré par le superviseur permet de reconstruire les trames à partir des informations de diagnostic local reçues par chaque nœud, puis d’agréger les données pour déterminer la présence de défauts.
[0103] Cependant, afin de prendre en compte les cas dits d’exception, le procédé permet d’appliquer un masque de correction sur chaque trame reconstruite afin d’ignorer certains résultats comme les débuts/fins de ligne (nœud inexistant), les nœuds (émetteur ou récepteur) connus défaillants par exemple. L’étape de correction de trames consiste à appliquer un masque sur une trame, ce dernier permettant d’ignorer une partie de la trame (dans les cas d’un récepteur défaillant), ou la totalité de la trame (dans les cas d’un émetteur défaillant ou inexistant en début/f in de ligne).
[0104] Dans le cas des débuts et fins de lignes, certains nœuds n’existent pas dans une trame et l’application d’un masque permet d’éviter une analyse erronée. Avantageusement, le procédé permet l’application de différents masques selon la position d’un nœud émetteur dans une trame. Trois cas sont couverts :
- - Le cas où ce sont des nœuds en position N.2 et N-i qui sont émetteurs : l’application d’un masque revient à ignorer l’ensemble de la trame, car ces nœuds n’existent pas et donc les nœuds No et N+1 ne peuvent pas recevoir de signal.
- - Le cas où ce sont des nœuds en position No qui sont émetteurs : l’application d’un masque revient à ignorer les nœuds N-i et N.2 qui ne peuvent pas recevoir de signal car ces nœuds n’existent pas.
- - Le cas où ce sont des nœuds en position N-i qui sont émetteurs : l’application d’un masque revient à ignorer le nœud N.-i qui ne peut pas recevoir de signal car ce nœud n’existe pas.
- Le tableau (IV) ci-dessous illustre l’application d’un masque pour une trame de début de ligne, selon la position du nœud émetteur.
Tableau (IV)
[0105]
[0106] Dans les cas de nœuds défaillants connus, le procédé permet d’appliquer un masque de correction de trames. Le tableau (V) ci-dessous illustre un exemple d’application d’un masque de correction pour une séquence de tirs selon la figure 5, dans le cas où le nœud N3 est défaillant. Par exemple pour la phase A où le nœud N5 est émetteur, le masque appliqué est ‘011 1 1 ’ sur les nœuds du groupe (N3, N4, N5, N6, N7), invalidant la valeur remontée par le nœud N3 défaillant et validant les valeurs remontées par les nœuds N4 à N7. Pour la phase D, où le nœud N3 est émetteur, et par hypothèse connu pour être défaillant, le masque appliqué à la trame constituée par les nœuds Ni à N5 est ‘00000’ invalidant l’ensemble des valeurs remontées par ces nœuds. L’homme du métier comprend que les exemples ne sont pas limitatifs et que toute autre configuration de masque peut être dérivée.
[01 07] Tableau (V)
[0108] Ainsi l’étape d’application d’un masque de correction de trames revient à une opération logique de type ‘ET’ entre une valeur reçue d’un nœud et la valeur définie pour le nœud dans le masque.
[0109] Dans une étape suivante, le procédé prend en compte les trames corrigées pour effectuer un diagnostic global afin de détecter des défauts. Une table de correspondance est définie pour associer chaque trame corrigée à une possibilité d’identifier un défaut. Dans l’exemple décrit de trames de 6 bits, la table de correspondance comprend 64 valeurs (26).
[01 10] Dans un mode d’implémentation, le procédé permet de procéder à une analyse différenciée pour les sections à droite et les sections à gauche d’un nœud émetteur. En effet, il semble acceptable de considérer que les inspections à gauche et à droite d’un émetteur sont indépendantes, même s’il y a lieu de valider que la présence d’un défaut à droite d’un émetteur n’interagisse pas avec des récepteurs à gauche à cause des échos (surtout pour la détection de fissure).
[01 1 1 ] Ainsi sur une trame de 6 bits, pour la détection à gauche d’un nœud émetteur, seuls les 3 bits de gauche sont pris en compte pour l’analyse, i.e. les 3 bits de poids forts dans la trame, et pour la détection à droite, seuls les 3 bits de droite sont pris en compte pour l’analyse, i.e. les 3 bits de poids faibles dans la trame. Cette implémentation est avantageuse pour diminuer le nombre de cas possibles en ramenant la table de correspondance à 16 valeurs (23 + 23).
[01 12] Après l’étape d’analyse des trames corrigées, le procédé permet de générer une liste des résultats d’inspection à droite et à gauche de chaque nœud émetteur pour chaque trame. L’inspection gauche/droite peut se réaliser par deux opérations binaires combinant la valeur de la trame corrigée avec le masque d’analyse de gauche et avec le masque d’analyse de droite :
- Trame & Masque gauche (111000) pour l’inspection à gauche ; et
- Trame & Masque droite (000111) pour l’inspection à droite.
[01 13] Les tableaux (VI) et (VII) illustrent respectivement tous les résultats possibles des opérations d’inspection à gauche et à droite pour une trame de 6 bits.
Tableau (VI) : résultats d’inspection à gauche
Tableau (VII) : résultats d’inspection à droite
[01 15] Certains résultats lèvent une exception. En effet, si une alerte est levée par exemple par le nœud Nn (émetteur) et par le nœud Nn+2, le nœud intermédiaire Nn+1 devrait également détecter le défaut. Même si de telles exceptions ne signifient pas nécessairement une défaillance du nœud, il s’agit de cas particuliers qui nécessitent un approfondissement et une validation, et qui sont donc signalés dans les résultats d’analyse.
[01 16] Certains cas d’exception peuvent amener l’utilisateur à procéder à des tests spécifiques sur les transducteurs pour vérifier l’état du système et le mettre à jour éventuellement.
[01 17] En reprenant l’exemple de la figure 5 et en considérant le nœud N3 émetteur lors d’une analyse à droite, les sections IV (entre N3 et N4) et V (entre N4 et N5) sont inspectées. La section IV est inspectée par les nœuds N3, N4 et N5, et la section V est inspectée uniquement par le nœud N5.
[01 18] Si l’inspection à droite produit le résultat suivant : « Trame &
0001 1 1 =000001 >>, alors la trame qui vaut ‘XXX001 ’ permet d’abord de déterminer par le bit à ‘T à l’emplacement du nœud N5, qu’il y a un défaut sur la section V. De plus, cette, information fournie par le nœud N5 signifie aussi la présence d’au moins un défaut sur la section IV ou sur la section V. Or, l’information des nœuds N3 et N4 étant à ‘0’, cela implique qu’il n’y a pas de défaut sur la zone IV.
[01 19] Si l’inspection à droite produit le résultat suivant : « Trame &
0001 1 1 =000010 >>, alors la trame qui vaut ‘XXX010’ doit lever une exception. En effet, le nœud N4 indique par la valeur du bit à ‘T la présence d’un défaut sur la section IV, alors que les nœuds N3 et N5 dont la valeur est à ‘O’contredisent cette information.
[0120] Un résultat indiquant une exception doit déclencher une procédure de test complémentaire pour clarifier cette détection. En cas de rupture complète du rail, ce cas d’exception est nécessairement synonyme de défaillance. En effet si le nœud N4 ne reçoit plus de signal, alors le nœud N5 ne peut pas recevoir de signal, et l’information du bit à ‘0’ est contradictoire. Avantageusement, le procédé de l’invention permet de recenser les cas d’exception par l’agrégation des données, et ainsi révéler des cas de défaillance. A terme, lors de la détection de fissure, un défaut peut être détecté par un nœud mais pas par les autres en fonctions de différents paramètres tels que la proximité, l’interaction...
[0121 ] Si l’inspection à droite produit le résultat suivant : « Trame &
0001 1 1 =00001 1 », alors la trame qui vaut ‘XXX01 1 ’ doit lever une exception. En effet, selon la trame il y a au moins un défaut sur la section IV par la valeur du bit à ‘T en position du nœud N4, et peut être un autre défaut sur la section V. Cependant le nœud N3 ne détecte pas de défaut car sa valeur de bit est à ‘0’. Une exception doit donc être levée. Une cause de cet état peut être la configuration pulse-echo du nœud N3 qui ne détecte pas les problèmes lointains et une rupture signifie en pulse- echo une augmentation de l’amplitude et non une disparition du signal, l’algorithme de détection peut manquer de sensibilité à partir d’une certaine distance.
[0122] De manière analogue, les autres résultats peuvent être analysés à gauche et à droite pour la détection de défauts.
[0123] Deux autres exemples de détection de défauts selon les principes de l’invention basés sur la figure 5 sont décrits, en considérant pour le premier exemple l’existence d’une rupture sur la section III entre les nœuds N2 et N3, et pour le deuxième exemple l’existence d’une rupture sur la section III avec le nœud N3 qui est défaillant. Dans chaque cas, les différentes phases, hormis la phase A qui n’inspecte pas cette portion sont présentées.
[0124] Premier cas : rupture de rail entre les nœuds N2 et N3.
[0125] [Table 8] Le tableau (VIII) présente sur chaque ligne correspondant à une phase de tir (A-E), les valeurs reçues par le superviseur pour chaque nœud (No à N7). Dans ce cas, aucun nœud n’étant défaillant, le masque de correction vaut ‘11 1 1 11 ’ et ne change donc pas le résultat des trames reçues.
Tableau (VIII)
[0127] Dans le tableau, on peut relever que les trames qui portent de l’information sur la présence d’un défaut sont :
- La trame associée à Ni dans la séquence B qui vaut ‘000001 ’ : Dans ce cas, l’inspection à gauche produit le résultat « 000001 & 11 1000 = 000000 >> signifiant que le rail à gauche du nœud est sain, et l’inspection à droite produit le résultat « 000001 & 0001 1 1 = 000001 >> signifiant qu’il existe un défaut entre les nœuds N2 et N3.
- La trame associée à N2 dans la séquence C qui vaut ‘000111 ’ : dans ce cas, l’inspection à gauche produit le résultat « 0001 1 1 & 11 1000 = 000000 >> signifiant que le rail à gauche du nœud est sain, et l’inspection à droite produit le résultat « 0001 1 1 & 0001 1 1 = 0001 1 1 >> signifiant qu’il existe au moins un défaut entre les nœuds N2 et N3.
- Les deux autres trames associées à N3 et N4 dans les séquences D et E sont des trames symétriques aux trames associées à N-i et N2, la détection se réalisant alors à droite au lieu de gauche.
[0128] Deuxième cas : rupture de rail entre les nœuds N2 et N3 et nœud N3 défaillant.
[0129] Le tableau (IX) présente sur chaque ligne correspondant à une phase de tir (A-E), les valeurs reçues par le superviseur pour chaque nœud (No à N7).
Tab eau (K)
[0130]
- Dans ce cas, le nœud N3 étant défaillant, un masque de correction va être appliqué sur les trames pour prendre en compte la défaillance du nœud. Les masques de correction appliqués sont alors :
- ‘01 1 110’ pour la trame associée au nœud Ni dans la séquence B où le premier ‘0’ vient de la bordure de la voie et le dernier ‘0’ pour prendre en compte le nœud N3 défaillant.
- ‘1 1 1 101 ’ pour la trame associée au nœud N2 dans la séquence C.
- ‘000000’ pour la trame associée au nœud N3 dans la séquence D, car le nœud N3 étant défaillant il n’émet pas et aucun résultat n’est valide dans ce cas.
- ‘101 11 T pour la trame du nœud N4 dans la séquence E.
- L’application des masques de correction donne le tableau (X) suivant :
Tab eau (X)
L’analyse de défaut gauche/droite est faite sur les trames corrigées, et produit les résultats suivants :
- Pour la trame associée au nœud N1 dans la séquence B qui vaut ‘000000’, le résultat de l’inspection à gauche est « 000000 & 111000 = 000000 >> qui signifie que le rail (ou la section) à gauche du nœud est sain, et le résultat de l’inspection à droite est « 000000 & 000111 = 000000 >> qui signifie que le rail (ou la section) à droite du nœud est sain.
- Pour la trame associée au nœud N2 dans la séquence C qui vaut ‘000101 ’, le résultat de l’inspection à gauche est « 000101 & 111000 = 000000 >> qui signifie que le rail (ou la section) à gauche du nœud est sain, et le résultat de l’inspection à droite est « 000101 & 000111 = 000101 >> qui signifie qu’il existe au moins un défaut entre le nœud N2 et le nœud N3 mais aussi relève une exception, qui dans le cas décrit est une défaillance connue.
- Pour la trame associée au nœud N3 dans la séquence D qui vaut ‘000000’, aucune détection de défaut n’est à faire car le nœud N3 émetteur est connu défaillant.
- Pour la trame associée au nœud N4 dans la séquence E qui vaut ‘100000’, le résultat de l’inspection à gauche est « 100000 & 111000 = 100000 >> qui signifie qu’il existe au moins un défaut entre le nœud N2 et le nœud N3, et le résultat de l’inspection à droite est « 100000 & 000111 = 000000 >> signifiant qu’il n’y a pas de défaut à droite.
[0131] Les quelques exemples choisis pour décrire les principes de l’invention ne sont pas limitatifs et peuvent être généralisés, mais ils permettent de démontrer l’avantage du procédé de l’invention d’avoir de la redondance des inspections. En effet dans les exemples, il ressort que la défaillance du nœud N3 n’empêche pas la détection du défaut.
[0132] Dans une variante de réalisation prise comme autre exemple pour décrire le procédé de l’invention, la configuration du système comprend un nœud émetteur sur trois afin d’éviter tout recouvrement de signal. Une séquence de tirs à partir de laquelle un diagnostic global de défaut est faite est illustrée de manière simplifiée en figure 6, avec dans une première phase A, les noeuds N2 et N5 comme noeuds émetteurs, le signal émis par un nœud émetteur étant reçu par un seul voisin à gauche et un seul voisin à droite. Ainsi, le signal émis par le nœud N2 est reçu à gauche par le nœud N-i et à droite par le nœud N3, et le signal émis par le nœud N5 est reçu à gauche par le nœud N4 et à droite par le nœud N6.
[0133] Le principe d’analyse est identique à celui décrit pour l’exemple de la figure 5, et les étapes générales du procédé sont illustrées sur le logigramme de la figure 7.
[0134] Le procédé 700 débute après un temps d’acquisition de données 702 qui permet au serveur de recevoir les messages des diagnostics locaux faits par les nœuds électroniques. Le temps d’acquisition peut être fixe et prédéfini ou paramétrable par l’utilisateur. Selon l’exemple de la figure 6, le temps d’acquisition est choisi pour que le cycle d’analyse couvre la réception de messages correspondants à trois phases de tirs A, B, C.
[0135] Dans une étape suivante 704, le procédé permet de créer des trames de groupe à partir des informations reçues par chaque nœud. Selon l’exemple de la figure 6, des trames sont créées pour le groupe de nœuds (N1 ; N2, N3) et pour le groupe de nœuds (N4, N5, N6). Le contenu d’une trame d’un groupe, i.e. la valeur des bits ‘0’ ou ‘1 ’, correspond au diagnostic local remonté par le nœud émetteur dudit groupe.
[0136] Le tableau (XI) illustre un exemple d’une trame de 4 bits créée pour un groupe de 3 nœuds (Nn.i, Nn, Nn+i) selon l’exemple de la figure 6:
Tableau (XI)
[0137]
[0138] Dans une étape suivante 706, le procédé permet de calculer la position des nœuds émetteurs pour chaque phase.
[0139] Le tableau (XII) illustre pour l’exemple de la figure 6, la position des nœuds émetteurs sur chaque phase, calculée selon l’équation (1 ) : [0140]
Tableau (XII)
[0141 ] Ainsi pour la première phase de tir A, initiée le 30/07/20 à 13h00, la valeur de la fonction f(t) est égale à ‘0’ ; la résolution de l’équation (1 ) donne f(t) = 0 pour les noeuds No, N3 et N6 qui sont alors identifiés comme étant en position émetteur. Pour la deuxième phase de tir B, initiée le 30/07/20 à 13h 10, la fonction f(t) vaut ‘1 ’ et ce sont les noeuds Ni, N4 et N7 qui sont identifiés en position émetteur. Pour la troisième phase de tir C, initiée le 30/07/20 à 13h20, la fonction f(t) vaut ‘2’ et ce sont les noeuds N2 et N5 qui sont identifiés en position émetteur.
[0142] Le procédé permet dans une étape suivante 708, d’identifier les noeuds récepteurs de gauche et de droite voisins de chaque nœud émetteur, et de calculer une valeur de bit de position indiquant la position de chaque nœud dans chaque trame de groupe et pour chaque phase du cycle d’analyse.
[0143] Le tableau (XIII) illustre pour l’exemple de la figure 6, la position de chaque nœud dans chaque trame de groupe, sur les différentes phases de tir, indiquée par des valeurs de bits de position :
[0144] [0145] Ainsi pour la première phase de tir A, les noeuds No, N3 et N6 identifiés comme noeuds émetteurs ont des valeurs de bit de position de 2 et 3 ; les noeuds N2 et N5 identifiés comme noeuds récepteurs de droite, ont une valeur de bit de position égale à 1 ; les noeuds Ni, N4 et N7 identifiés comme noeuds récepteurs de gauche, ont une valeur de bit de position égale à 4.
[0146] Dans une étape suivante 710, le procédé permet de corriger le contenu de certaines trames de groupe, i.e. modifier ou ignorer des valeurs de bits afin de prendre en compte les débuts et fins de ligne et les éventuelles défaillances de noeuds déjà connues dans les trames de groupe contenant des noeuds concernés.
[0147] Les tableaux (XIV) et (XV) illustrent pour l’exemple de la figure 6, respectivement, un masque de correction de trame de groupe pour gérer les bords de domaine (début/f in de voie : noeuds N.2 et N-i non existants), et un masque de correction pour nœud défaillant (ici le nœud N3).
Tableau (XV)
[0148]
[0149] Dans une étape suivante 712, le procédé permet à partir des trames de groupe corrigées et des positions des nœuds dans chaque groupe, de générer un résultat de diagnostic global quant à l’existence ou non de défaut. Le résultat du diagnostic global liste pour chaque groupe de nœuds dans chaque phase, une valeur représentative de l’état de chaque nœud du groupe pour chaque phase, permettant de déterminer si le nœud est sain ou défaillant ou qu’il lève une exception.
[0150] Dans une étape optionnelle 71 1 , le procédé permet de faire une inspection réduite des trames par une inspection séparée des sections de gauche et de droite d’un nœud émetteur, en combinant la séquence de bits de la trame corrigée avec une séquence comprenant uniquement des bits de points forts pour l’inspection à gauche, et en combinant la séquence de bits de la trame corrigée avec une séquence comprenant uniquement des bits de points faibles pour l’inspection à droite.
[0151] Les tableaux (XVI) et (XVII) illustrent pour l’exemple de la figure 6, respectivement, les résultats de l’inspection à gauche et à droite, où la table complète d’analyse à 16 valeurs (24) est réduite à l’analyse de 8 valeurs, 4 pour l’inspection de gauche, et 4 pour l’inspection de droite.
Tableau (XVI)
Tableau (XVII)
[0152]
[0153] A partir des résultats de l’analyse, qu’ils soient obtenus après analyse de l’ensemble des combinaisons binaires issues des trames corrigées ou qu’ils soient obtenus sur un sous-ensemble réduit des combinaisons binaires par une inspection différenciée gauche/droite, l’utilisateur est en mesure de déterminer les noeuds sains (i.e. ‘0000’), les noeuds qui lèvent une exception (i.e. ‘0100’ ; ‘1000’ ; ‘0001 ’ ; ‘0010’) et les noeuds qui révèlent un défaut dans leur intersection (i.e. ‘1100’ ; ‘0011 ’).
[0154] Dans une étape optionnelle 713, pour des noeuds analysés en défaut ou en exception, le procédé est configuré pour déclencher une procédure de test complémentaire visant à déterminer si la défaillance provient de l’un des noeuds de l’intersection ou d’une défaillance du protocole de communication. Lorsque la procédure de test est complète, un signal peut être envoyé au superviseur pour mettre à jour l’état du réseau et les masques de correction à appliquer.
[0155] Dans une étape supplémentaire 714, les résultats de l’analyse sont générés et affichés sur une interface IHM dans une forme directement exploitable par l’utilisateur, indiquant visuellement sur une carte de la voie par exemple la localisation du/des défaut(s), ou dans toute autre forme adaptée à l’application. [0156] Dans des modes de réalisation variés, le procédé permet d’envoyer une alerte aux conducteurs de trains et/ou à tout système de régulation du trafic. Le procédé peut aussi être adapté pour émettre à destination d’un train s’engageant sur la voie sur laquelle un défaut potentiel a été détecté une commande de freinage qui est déclenchée en fonction du résultat de l’analyse.
[0157] 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

REVENDICATIONS
1 . Procédé de détection de défaut dans une structure allongée pouvant faire office de guide d’ondes élastiques, ladite structure allongée étant instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes élastiques se propageant dans la structure, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique installé le long de la structure, l’ensemble des dispositifs électroniques constituant un réseau de nœuds configurés pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur, le procédé étant mis en œuvre par ordinateur et comprenant les étapes consistant à:
- effectuer une pluralité de diagnostics locaux de défaut, à partir de signaux de mesure reçus par une pluralité de dispositifs électroniques, lesdits signaux de mesure étant acquis pour plusieurs phases d’émission d’ondes élastiques ;
- transmettre vers un serveur distant selon un protocole de communication à faible consommation énergétique, des messages contenant des informations relatives à chaque diagnostic local, lesdits messages étant formatés selon ledit protocole de communication à faible consommation énergétique;
- agréger les informations contenues dans lesdits messages reçus ; et
- effectuer un diagnostic global de défaut permettant de déterminer la présence ou non de défaut dans ladite structure allongée.
2. Procédé selon la revendication 1 où chaque dispositif électronique comprend un circuit de traitement du signal, et dans lequel l’étape d’effectuer une pluralité de diagnostics locaux consiste à mettre en œuvre un algorithme de détection de défaut par chaque circuit de traitement du signal pour générer un diagnostic local.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l’étape de transmission consiste à transmettre des messages entre la pluralité de dispositifs électroniques et le serveur distant selon un protocole de type LPWAN.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel l’étape de transmission consiste à transmettre des messages au format LoRa selon un protocole de communication LoRaWan.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel dans lequel l’étape de transmission consiste à transmettre des messages contenant au moins une information binaire de présence ou d’absence de défaut.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel l’étape d’agrégation comprend des étapes consistant à :
- créer des trames de groupe, un groupe regroupant n noeuds et étant composé d’un nœud émetteur et de n-1 nœuds récepteurs, une trame de groupe ayant un nombre n+1 de bits, la valeur de n-1 bits correspondant à une information de diagnostic local reçue d’un nœud récepteur, et la valeur de deux bits correspondant à une information de diagnostic local de pulse-écho de droite et de gauche reçue du nœud émetteur ; et
- calculer pour chaque trame de groupe et pour chaque phase, une position pour chaque nœud en tant que position de nœud émetteur ou position de nœud récepteur.
7. Procédé selon la revendication 6 comprenant de plus une étape consistant à corriger le contenu de certaines trames de groupe.
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7 dans lequel l’étape d’effectuer un diagnostic global de défaut consiste, à partir des trames de groupe corrigées ou non, et des positions des nœuds dans chaque groupe, à générer un résultat de diagnostic global qui liste pour chaque groupe de nœuds dans chaque phase, une valeur représentative de l’état de chaque nœud du groupe pour chaque phase, permettant de déterminer si le nœud est sain ou défaillant ou s’il lève une exception.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 comprenant de plus une étape consistant à déterminer la localisation ou la sévérité d’un défaut en cas de détermination de la présence d’un défaut.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 comprenant de plus une étape consistant à afficher le résultat du diagnostic global de défaut.
11 . Produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
12. Dispositif de détection de défaut dans une structure allongée pouvant faire office de guide d’ondes élastiques, ladite structure allongée étant instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes élastiques se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique, l’ensemble des dispositifs électroniques constituant un réseau de nœuds configurés pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur, le dispositif de détection de défaut comprenant des moyens pour mettre en oeuvre les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
13. Dispositif de détection de défaut selon la revendication 12 dans lequel un dispositif électronique comprend au moins : une source d’énergie (400) ; un circuit (410) de mesure d’ondes élastiques ; un circuit (412) d’émission d’ondes élastiques ; des composants (414) de stockage ; un circuit (416) de traitement du signal ; un circuit (418) de communication sans fil couplé à une antenne (419) pour envoyer des messages selon un protocole de communication à faible consommation énergétique; un récepteur GNSS.
14. Système de surveillance de l’état de voies ferrées basé sur l’analyse d’ondes élastiques guidées dans les rails, le système comprenant une pluralité de dispositifs de détection de défaut selon la revendication 12 ou 13.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
FR3114154B1 (fr) * 2020-09-11 2024-02-02 Commissariat Energie Atomique Dispositif et Procédé de gestion de ressources pour la surveillance de structures allongées.
CN118323218B (zh) * 2024-06-11 2024-08-27 四川旷谷信息工程有限公司 一种实现多业务专家共同诊断探伤作业的系统和方法

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4728063A (en) * 1986-08-07 1988-03-01 General Signal Corp. Railway signalling system especially for broken rail detection
CN1086469C (zh) * 1995-07-14 2002-06-19 布伦特·费利克斯·朱里 应力测试和释放的方法和装置
US5713540A (en) * 1996-06-26 1998-02-03 At&T Corp. Method and apparatus for detecting railway activity
US5864304A (en) * 1996-08-08 1999-01-26 At&T Corp Wireless railroad grade crossing warning system
US6715354B2 (en) * 1998-02-24 2004-04-06 Massachusetts Institute Of Technology Flaw detection system using acoustic doppler effect
GB0008480D0 (en) * 2000-04-07 2000-05-24 Aea Technology Plc Broken rail detection
GB0127927D0 (en) * 2001-11-21 2002-01-16 Westinghouse Brake & Signal Railway track circuits
US6845953B2 (en) * 2002-10-10 2005-01-25 Quantum Engineering, Inc. Method and system for checking track integrity
US6895362B2 (en) * 2003-02-28 2005-05-17 General Electric Company Active broken rail detection system and method
US6951132B2 (en) * 2003-06-27 2005-10-04 General Electric Company Rail and train monitoring system and method
US20050076716A1 (en) * 2003-09-05 2005-04-14 Steven Turner Method and apparatus for detecting guideway breaks and occupation
JP4436188B2 (ja) * 2004-05-18 2010-03-24 阪急電鉄株式会社 鉄道車輪踏面の異状検出方法及びその装置
US7343265B2 (en) * 2005-11-23 2008-03-11 Lockheed Martin Corporation System to monitor the health of a structure, sensor nodes, program product, and related methods
WO2008005311A2 (fr) * 2006-06-30 2008-01-10 Carnegie Mellon University Procédés, dispositifs et systèmes de détection d'avaries
EP2300299B1 (fr) * 2008-06-17 2017-01-18 Weir - Jones Engineering Consultants Ltd. Système et procédé pour détecter les chutes de roches
US8290719B2 (en) * 2008-09-26 2012-10-16 The Boeing Company Mode identification and decomposition for ultrasonic signals
CN103842998B (zh) 2011-08-23 2018-01-19 Csir公司 用于监测结构元件的状况的系统和开发该系统的方法
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
WO2014124050A1 (fr) * 2013-02-06 2014-08-14 The Regents Of The University Of California Essai ultrasonore non linéaire pour mesure non destructive de contraintes thermiques longitudinales dans des solides
WO2015148274A1 (fr) * 2014-03-28 2015-10-01 Electronic Warfare Associates, Inc. Systèmes et procédés pour de synchronisation de capteur
TR201405723A2 (tr) 2014-05-22 2015-09-21 Sabri Haluk Goekmen Ray kırığı ve çatlağını yansıma yöntemiyle algılayan sistem.
US9701326B2 (en) * 2014-09-12 2017-07-11 Westinghouse Air Brake Technologies Corporation Broken rail detection system for railway systems
US9417215B2 (en) * 2014-09-30 2016-08-16 General Electric Company Vibration monitoring system and method
US10908130B2 (en) * 2014-10-01 2021-02-02 Sensor Networks, Inc. Asset integrity monitoring using cellular networks
US10473624B2 (en) * 2014-10-15 2019-11-12 Fbs, Inc. Shear wave sensors for acoustic emission and hybrid guided wave testing
US10457303B2 (en) * 2014-11-14 2019-10-29 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Vibration notifications received from vibration sensors
WO2017175276A1 (fr) * 2016-04-04 2017-10-12 三菱電機株式会社 Dispositif de détection de rupture de rail
FR3060743B1 (fr) * 2016-12-15 2019-05-17 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
US20180327008A1 (en) * 2017-07-19 2018-11-15 Transportation Technology Center, Inc. Method for detection of rail breaks on occupied blocks to support reduced train spacing
CN107807175B (zh) * 2017-10-12 2019-04-23 南京航空航天大学 一种改进的频散超声导波信号域变换方法
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
FR3073289B1 (fr) * 2017-11-08 2024-03-22 Commissariat Energie Atomique Controle de sante d'une structure industrielle
JP6764886B2 (ja) * 2018-02-02 2020-10-07 日本電信電話株式会社 プローブ設置方法および送信プローブの駆動方法
EP3774488A1 (fr) * 2018-03-29 2021-02-17 Konux GmbH Système et procédé d'extraction et de traitement de données ferroviaires
FR3084748B1 (fr) * 2018-08-01 2024-01-05 Commissariat Energie Atomique Controle de sante de rails
WO2020053699A1 (fr) * 2018-09-10 2020-03-19 Mer Mec S.P.A. Dispositif et procédé pour détecter des défauts d'équipement ferroviaire
FR3105554B1 (fr) * 2019-12-20 2021-11-26 Commissariat Energie Atomique Mesure passive d’ondes acousto-elastiques
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
FR3114154B1 (fr) * 2020-09-11 2024-02-02 Commissariat Energie Atomique Dispositif et Procédé de gestion de ressources pour la surveillance de structures allongées.
FR3114177B1 (fr) * 2020-09-11 2024-12-13 Commissariat Energie Atomique Procédé pour la mise à jour de logiciel embarqué

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