FR2913392A1 - Dispositif de surveillance en temps reel de ballast. - Google Patents

Abstract

Dispositif de surveillance en temps réel de l'état du ballast de voies ferrées contigu aux rails, installé sur différents trains, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optoélectroniques de lecture du faciès local du ballast par prise d'images successives, des moyens de traitement des images et de mesure comprenant des moyens de compensation des mouvements du bogie et de recalage des coordonnées longitudinales et transversales des images, des moyens de compression et de traitement numérique des images, des moyens de tests d'identification comparée et de compensation des variations d'albedo dues à l'état du ballast, sec, humide ou couvert d'eau, et des moyens de transfert d'informations vers un poste de traitement fixe ou vers un autre train, pour réaliser par comparaison à partir de deux images prises au même endroit par deux trains successifs, une détection des variations de faciès du ballast.

Description

DISPOSITIF DE SURVEILLANCE EN TEMPS REEL DU BALLAST

La présente invention concerne un dispositif de surveillance de l'état du ballast de voies ferrées embarqué sur chaque train et opérant à la vitesse nominale du train circulant sur ces voies en temps réel. Elle est destinée à donner l'alerte lorsqu'une zone de ballast a été remuée, que ce soit du à une modification du sous-sol, soit du à une intervention d'entretien et, plus particulièrement, pour signaler une action malveillante, telle que la pose d'explosifs destinés à provoquer un déraillement aux conséquences catastrophiques, compte tenu de l'accroissement des vitesses des trains. Pour obtenir une efficacité maximale, la pose des explosifs doit s'effectuer pendant une période d'inactivité, comme par exemple la nuit, le déclenchement de l'explosion devant intervenir à une heure de grande fréquentation et au passage d'un train. L'invention est destinée à donner l'alerte et éviter une catastrophe, d'autant plus grave que les trains, qui se suivent, à certaines heures, à un intervalle d'environ 3 minutes, à des vitesses dépassant pour certains 300km à l'heure, dans les 2 sens, peuvent se télescoper et générer des milliers de victimes. Il n'existe pas de procédé capable de détecter et de localiser une telle anomalie, en temps réel et à la vitesse commerciale des trains et de transmettre l'alerte au réseau ferré, en particulier sur les deux zones de ballast A et B figure 1 situées de part et d'autre, au contact d'un rail susceptible d'être détruit par la pose d'explosif enfoui. En ce cas, une excavation a été creusée par enlèvement des pierres dans ces zones A et B, puis camouflée par une nouvelle pose de tout ou partie des pierres enlevées. L'invention a notamment pour but d'apporter au problème de la surveillance du ballast une solution qui permette un contrôle en continu, efficace et simple d'utilisation. Elle propose à cet effet un dispositif de surveillance en temps réel de l'état du ballast de voies ferrées contigu aux rails, installé sur différents trains, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optoélectroniques de lecture du faciès local du ballast par prise d'images, des moyens de traitement des images comportant une compensation des mouvements du bogie et un recalage des coordonnées longitudinales et transversales des images, des moyens de compression et de traitement numérique des images, des moyens de tests d'identification comparée de deux images prises au même endroit par deux trains successifs, et de compensation des variations d'albedo dues à l'état du ballast, sec, humide ou couvert d'eau, et des moyens de transfert d'informations vers un poste de traitement fixe ou vers un autre train, pour réaliser une détection des variations de faciès du ballast entre les deux prises d'images. 5 10 15 20 25 30 35 Un avantage essentiel du dispositif de surveillance selon l'invention est que l'ensemble des opérations de surveillance peut être entièrement automatisé, pour fournir une alerte en cas de dépassement d'un seuil de variation de faciès. Avantageusement, les moyens optoélectroniques comportent un ensemble de caméras numériques et d'éclairages par impulsion, protégés des salissures par des moyens de protection comme un flux d'air propre issu d'une soufflerie, des essuie glaces ou des gicleurs d'eau. Les caméras et les éclairages pulsés peuvent fournir une image du ballast en temps réel suivant la vitesse du train, avec une précision de l'ordre du millimètre, quelle que soit la vitesse du train. Avantageusement, les moyens de compensation des mouvements du bogie comportent des capteurs de distance mesurant la distance séparant les axes des roues d'un bogie et le châssis suspendu de ce bogie sur lequel est fixé un boîtier comportant les moyens optoélectroniques, les informations de ces capteurs de distance étant utilisées pour compenser des erreurs dues aux mouvements du châssis. Avantageusement, les moyens de recalage des coordonnées utilisent le contraste de l'image entre le bord du chemin de roulement sur la face supérieure du rail, et la face latérale verticale de celui-ci pour servir de référence aux coordonnées transversales de l'image, perpendiculaire au cheminement. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de recalage des coordonnées utilisent au moins l'un des dispositifs suivants, des repères optiques fixés au sol destinés à identifier le lieu géodésique de départ des mesures selon l'axe de cheminement Y, des informations délivrées par le capteur de vitesse ou de distance du train, et des variations de contraste de l'image entre ballast et traverses pour définir avec précision un codage de la distance parcourue indépendant des mouvements de terrain. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de compression ou de traitement numérique des images du ballast situé entre deux traverses réalise un quadrillage de l'image en surfaces élémentaires, chaque surface élémentaire pouvant dépasser plusieurs centimètres, et calcule une valeur moyenne des amplitudes lumineuses de tous les pixels mesurés compris dans cette surface élémentaire. La comparaison de deux images prises au même endroit par deux trains successifs peut utiliser un test basé sur l'écart type du rapport de la moyenne des pixels du carreau mesuré à la moyenne du même carreau mesuré au cours d'un passage précédent, l'écart type étant étendu à tous les carreaux du quadrillage de moyenne non nulle. Le test basé sur l'écart type du rapport de la moyenne des pixels peut être étendu à tous les décalages dx selon la direction transversale X et dy selon la direction longitudinale Y situés dans un domaine allant de ùXc à +Xc et de ùYc à +Yc, Xc et Yc étant les dimensions d'un carreau, et utilise une interpolation incluant les pixels moyennés de 9 carreaux de la référence pris quatre par quatre, et on recherche l'écart-type minimum parmi les écart-types de tous les pixels fournissant un recalage précis des 2 images, pour obtenir le reflet quasi exact des différences entre les images. On peut réaliser la mise en mémoire des écart-types de chaque image suivie d'un lissage de ces écart-types caractérisant en l'absence de perturbation du faciès l'état de l'albedo du ballast mesuré, cette valeur extrapolée à l'image en cours de traitement étant soustraite de l'écart type de cette image. De préférence, on traite statistiquement les tests de plusieurs images contiguës afin de supprimer les fausses alertes. On peut transmettre une alerte dès lors que le niveau du test approche le niveau délivré par une image du ballast complètement remué. De préférence, on utilise un procédé ne transmettant que les variations d'images significatives pouvant être appliqué afin d'alléger le flux transmis, après une éventuelle certification par un administrateur qui décide de la dangerosité d'une alerte. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 et 2 sont des vues du ballast, avec présentation des axes ; - les figures 3 à 5 présentent une partie d'un bogie suivant successivement une vue de côté, de dessus et de face ; - les figures 6 et 7 présentent l'ensemble optoélectronique ; - les figures 8 et 9 présentent une prise de vue du ballast ; - les figures 10 et 11 présentent un plan du bogie par rapport aux rails ; - les figures 12 à 13 présentent une méthode de compression de l'image ; - les figures 14 à 24 présentent une méthode de mesure de modification du faciès ; - la figure 25 présente une procédure d'alerte ; - la figure 26 présente des niveaux de transmission. La figure 2 présente l'orientation des axes de référence, l'axe Y repère tous points selon le cheminement des trains, l'axe X repère tous points selon une direction transversale, et l'axe Z est réservée aux coordonnées verticales.

Description des moyens optoélectroniques d'acquisition du faciès du ballast. Ils comportent deux à quatre dispositifs optoélectroniques, soit quatre caméras numériques appelés par la suite caméras, destinés à scruter le ballast de part et d'autre de 35 chaque rail. La figure 1 représente les zones A et B du ballast. La figure 2 représente schématiquement les deux caméras 1, 2 de scrutation du ballast de part et d'autre d'un rail. Les zones photographiées couvrent : 10 15 20 25 30 - une partie de la face supérieure du rail afin d'utiliser l'arête formée par le chemin de roulement du rail et le bord vertical comme référence de position latérale ; - quelques dizaines de centimètres de ballast selon la transversale X. Cette figure correspond à un dispositif de mesure matriciel, qui en une seule 5 exposition, mesure l'intensité lumineuse de toute une aire, sur quelques dizaines de centimètres selon le cheminement Y. En variante, le choix d'un dispositif transversal linéaire, dit aussi à barrette (qui mesure la lumière réfléchie d'une seule ligne selon l'axe X) est préférable, la précision étant meilleure, l'intensité de l'éclairage étant plus constante. Ces dispositifs 10 optoélectroniques, constitués d'un objectif et d'une surface constituée de damiers semi-conducteurs sensibles à la lumière et à base de pixels semi-conducteurs CCD ou CMOS sont bien connus et ne sont donc pas décrits. Les figures 3, 4 et 5 représentent trois vues d'un montage commun avec une boîte 3 comportant deux caméras 1, 2 sur le châssis primaire d'un bogie 4 d'une configuration 15 connue. La figure 4 est une vue de dessus, la cabine 19 n'étant pas représentée. La figure 5 est une vue de coté selon l'axe Y. Pour compenser les erreurs de distance de prise de vue dues aux variations de hauteur Z et les angles du plan focal des caméras par le tassement des ressorts de suspension des bogies 5, 6, deux dispositifs de mesure de déplacement 7, 8 d'un modèle connu (potentiomètre, capteur inductif ou capteur optique ou autre) mesurent 20 les distances fl, f2 entre les axes des roues 9, 10 et le châssis 4 du bogie, ce qui est schématisé figures 12 et 13. Les caméras représentées sont des caméras linéaires, et les angles de vues sont délimités par les rayons 11, 12, 13 et 14, les axes focaux étant matérialisés par les droites (15) et (16). 25 Un dispositif semblable à celui présenté figures 3, 4, et 5 est installé symétriquement par rapport au plan de symétrie du train et scrute la voie située au voisinage du second rail. Ces deux autres dispositifs de mesure de déplacement 7', 8' sont implantés symétriquement par rapport à l'axe général du train, et mesurent les distances f3, f4 des axes des roues au châssis du côté opposé. 30 Un conduit souple 18 relie le boîtier caméras 3 à une soufflerie 17 qui prélève de l'air propre dans la cabine 19, afin de maintenir les éléments optiques propres quelques soient les conditions climatiques (poussière, pluie, etc). Le repère 20 correspond aux traverses avec ses attaches, le repère 21 au rail. Les figures 6 et 7 représentent schématiquement un bloc de mesure comprenant 35 une caméra 1 avec un objectif 22, un boîtier 23 qui inclut la matrice (ou la barrette) de conversion de la lumière incidente en tension électrique proportionnelle, pouvant comporter selon les dispositions constructives un ensemble de prétraitement du signal, un boîtier de protection 3, une vitre 24 devant l'objectif 22 assurant l'étanchéité, un cache protecteur 25 des éclaboussures et de l'eau véhiculée par le vent apparent, des gicleurs 26, 27 d'arrosage de la vitre 24, un essuie glace 28 avec son balai 29 assurant la propreté de la vitre, et des matrices de diodes électroluminescentes 30, 31 de puissance assurant un éclairage pulsé de puissance impulsionnelle très importante. Chaque impulsion d'éclairage est synchronisée sur le cadencement des prises de vue, elle est de très courte durée afin de limiter le flou du faciès photographié, conséquence du déplacement du véhicule : à 300 km/heure, un millimètre est parcouru en 12 microsecondes, ce qui fixe l'ordre de grandeur de la durée de l'éclair nécessaire. Cet éclairage pulsé peut aussi être obtenu par d'autres moyens tels que des lampes à décharge ou des lasers solides bien connus. Toutes les fixations, liaisons étanches et autres détails constructifs connus ne sont pas représentés. La figure 7 est une vue de dessous du dispositif d'acquisition. L'ouverture 32 laisse passer l'air provenant de la cabine vers l'extérieur. L'écoulement de l'air additionnel 37 produit un tourbillon 36 inverse du tourbillon naturel et la surface de la vitre reste propre. Sinon il des particules ou les gouttelettes de pluie se déposent sur les faces internes, nécessitant un nettoyage fréquent par la combinaison des gicleurs 26, 27 et de l'essuie glace 28, ce qui dégrade la qualité du contrôle.

Description du dispositif d'acquisition des mesures.

Généralités. Le procédé de détection des variations géométriques du ballast est fondé sur la comparaison de mesures actuelles aux mesures effectuées précédemment par un autre train précédant le train actuellement en action. Les coordonnées géométriques des mesures instantanées doivent donc être 25 connues avec précision pour qu'une comparaison soit efficace. Pour cela, le dispositif d'acquisition de mesure comporte plusieurs moyens de compensation revendiqués. Ce sont : - des moyens de compensation des mouvements du châssis et de recalage des coordonnées 30 - des moyens de recalage de l'origine des coordonnées transversales - des moyens de recalage des coordonnées longitudinales Premiers moyens utilisés : compensation des mouvements du châssis et recalage des coordonnées. L'acquisition d'une ligne transversale de pixels s'effectue dans le repère des 35 coordonnées du châssis 4, au point des coordonnées du centre optique et du plan de la barrette de chaque caméra, 1, 2. Ces coordonnées doivent être converties dans le repère terrestre partant de l'origine du cheminement Y = 0, au départ de la mise sous surveillance, et de l'origine des distances comptées à partir de l'arête du rail X = O. La figure 8 montre le pinceau de mesure de référence, délimité par l'axe optique et le centre optique O de la caméra, situé à une hauteur ZO du rail et à une distance X0 du bord extérieur du rail. Toutes les mesures doivent être comptabilisées dans ce référentiel origine. La figure 9 montre l'influence des variations cumulées de hauteur du châssis, de l'angle de tangage et de l'angle de roulis du châssis. La cote ZO devient Z'0, X0 devient X'0 et Y devient Y'.

Les figures 10 et 11 expliquent l'utilité des 4 dispositifs de déplacement, schématisée par les 4 flèches verticales. La figure 10 représente une position de repos, les 4 distances séparant le châssis du sol (c'est-à-dire du rail et qui dans la réalité est mesuré par rapport à l'axe de la roue), sont ici représentées par les 4 flèches fl, f2, f3 et f4 de même longueur. La figure 11 représente le cas général où les distances sont toutes différentes, les flèches f'1, P2, f 3 et f4 différant toutes des flèches en position repos. Un code de calcul connu permet, en connaissant les dimensions géométriques du bogie et les mesures des 4 distances ci-dessus, d'identifier à chaque instant les cotes Z'0, X'0, Y' et donc de calculer la zone utile AB, et d'interpoler les positions exactes des pixels reconstitués aux même distances et au même nombre que les pixels de la référence figure 10. Le mouvement de lacet du bogie est supposé négligeable, la variation angulaire étant petite. Toutes les mesures sont ainsi converties dans le référentiel origine. Deuxièmes moyens utilisés: recalage de l'origine des coordonnées transversales et identification de la cote de référence transversale Xr.

La cote de référence transversale Xr est déterminée par l'arête du bord du chemin de roulement du rail 36, comme présenté figure 12. La différence d'intensité de lumière réfléchie entre le chemin de roulement de dessus du rail et la partie verticale de côté du rail, compte tenu de la position de la caméra, est suffisante pour définir cette cote avec précision.

Afin d'obtenir un nombre d'informations et une précision suffisante, la taille du pixel par ligne transversale doit représenter une zone de l'ordre du millimètre. Ceci détermine la précision d'identification de la coordonnée Xr du bord supérieur du rail, qui aura donc, après traitement numérique, une précision du même ordre. La distance couverte selon X est déterminée alors par la résolution de la caméra : ainsi le champ couvert, par une caméra de 640 pixels et une résolution de 1 mm, sera de l'ordre de 640 mm. Pour la suite de l'exposé, la coordonnée X correspondra à la valeur Xi-Xr, Xr étant la référence déterminée par le procédé ci-dessus et Xi la coordonnée délivrée par la caméra.

Troisièmes moyens utilisés : calage des coordonnées longitudinales, calage des mesures selon la coordonnée Y (sens du cheminement). Selon l'invention, ce calage s'effectue comme suit. Dès le départ du train, un marquage optique tel un codage par barres tracé au sol est identifié par chaque caméra. Ce 5 code définit : - la référence Yr d'initialisation des mesures et des enregistrements ; - la référence du compteur de distance et de vitesse du train Dr ; - l'identification de la voie et des coordonnées géodésiques du lieu. La cadence de prise des mesures (lignes transversales) est imposée par la vitesse 10 du train déterminée soit par son compteur de vitesse basé sur la mesure de d'angle de rotation d'une roue, soit par calcul du temps mis par le train pour aller d'une traverse 20 de support de rails, à la suivante. Cette cadence est ajustée pour qu'une mesure soit effectuée environ tous les millimètres. A chaque passage de traverse 20, la variation de contraste des mesures de lumière réfléchie est mise à profit pour définir avec une précision qui dépend de 15 la cadence un indice croissant avec le nombre de traverses franchies. En l'absence de contraste suffisant, le recalage s'effectue par les données provenant du compteur de vitesse et d'angle de rotation de roue du train. Les mesures, après avoir subi les conversions définies précédemment, de recherche de la cote Xr et du recalage du aux mouvements de la plateforme constituée par le châssis sont donc mémorisées dans un fichier selon la norme 20 suivante : - numéro de la mesure depuis le départ Yr, compris par exemple entre 1 et 1 million pour 1000 km parcourus avec un échantillonnage au millimètre ; - nombre de pixels vus (ils peuvent varier selon les oscillations de la plateforme) ; - amplitude de chaque pixel. 25 Un second fichier enregistre la correspondance entre le numéro de traverse 20 et le numéro de la mesure depuis le départ Yr, et la distance transmise par le compteur de distance du train D, soit D û Dr, Dr étant la valeur initiale du compteur de tour de roue du train, convertie en distance. En cas d'absence d'acquisitions due par exemple à une panne inopinée, la reprise des 30 mesures et du recalage s'effectue en utilisant les distances D - Dr enregistrées par le compteur de vitesse du train. Cette méthode permet d'obtenir des mesures échantillonnées parfaitement recalées par la position des traverses 20, et s'affranchit des mouvements de terrain provoqués par exemple par les dilatations et les contractions de la voie dues aux variations de température. 35 Description des moyens de compression des faciès . Généralités.

L'image d'une zone de ballast située entre deux traverses 20, soit approximativement une aire de 40 centimètres selon le cheminement Y, et de 40 à 60 centimètres selon la transversale X, échantillonnée tous les millimètres occupe un espace mémoire important, de l'ordre de 2 millions de bits. L'information utile, comme il sera décrit ultérieurement, ne nécessite pas de mémoriser un volume de données aussi important. Une occupation mémoire, selon l'invention, de l'ordre de 2 000 bits est suffisante, soit un rapport de condensation de 900. La mémorisation des images ainsi condensées, pour un parcours de 1000 kilomètres, n'exige qu'une taille mémoire de 3 gigabits soit 450 mégaoctets, qui est : -enregistrable en mémoire morte, disque dur ou autre, ou mémoire RAM sans difficulté ; - ou transférable en quelques minutes, après analyse et traitement des données mesurées comparées au fichier origine provenant du dernier passage enregistré, par des réseaux de transmission actuels et à fortiori à venir, soit à un poste central de collection des informations, soit directement au train suivant empruntant le même itinéraire. Méthode de compression utilisée (figure 13). La méthode de compression utilisée est présentée figure 13, elle consiste d'abord à diviser l'image utile, c'est-à-dire l'image du ballast entre deux traverses 20, en surfaces élémentaires, soit rectangulaires, soit carrées, formant ainsi un quadrillage, ou soit de tout autre forme (triangle, hexagone, etc). Puis on calcule la valeur moyenne de l'éclairement par addition pour chacune des surfaces élémentaires, carreaux du quadrillage, des pixels délivrés par la caméra, puis par division par le nombre de pixels de la surface élémentaire. Soit Pix(i,j) cette valeur moyenne pour une surface élémentaire portant l'indice i selon l'axe des X et l'indice j selon l'axe de Y, cette opération étant appelée moyennage. Afin de respecter la théorie de l'information et le théorème de Shannon, la surface élémentaire doit être inférieure à la moitié de la taille des pierres du ballast. Un carré de 30mm de côté, par exemple suffit. La figure 13 schématise cette numérotation. La figure 14 a représente une image de ballast brute, la figure 14 b une image ou 30 faciès compressé, les carreaux étant constitués de carrés de 30mm de coté.

Description des moyens de test d'identification comparée. Généralités. L'image du ballast mesurée est comparée à l'image du ballast enregistrée lors d'un 35 parcours précédent qui sera appelée référence par la suite. Cependant cette image peut être entachée d'incertitudes : les repérages des coordonnées Xr et Yr peuvent être entachés d'erreurs, dues aux mouvements du châssis 4 ou à un manque de résolution du recalage en X ou en Y. Par ailleurs, le contraste des images varie en fonction de l'eau de ruissellement ou de l'humidité présente sur les pierres du ballast. Les figures 15a, 15b représentent 2 images identiques aux images de la figure 14, la figure 15a correspond à des pierres recouvertes d'un film d'eau, la figure 15b étant l'image traitée. Il existe une grande différence entre ces images des figures 14 et 15.

Le moyen de test présentés ci-dessous solutionne ces difficultés, il permet de s'affranchir : - des perturbations dues au manque de précision dans la reconnaissance des coordonnées initiales de l'image ; - des variations de faciès dus aux variations de conditions climatiques.

Description des moyens de tests. Premier algorithme fondamental revendiqué. Il consiste à tester l'écart type des rapports Pix(i,j) / Pix(i,j)r, Pix(i,j) étant la valeur moyenne des pixels mesurés à la case i, j correspondant à l'image élémentaire de même indice, et Pix(i,j)r étant la valeur moyenne de la case i, j de référence provenant des mesures d'un passage précédent et mémorisées, étendu à tous les carreaux de quadrillage de moyenne non nulle. Pour 2 images identiques, cet écart type est nul, et il augmente avec les différences de faciès des images. La figure 16 représente 6 images correspondant à une zone de ballast où 1, 2, 4, 8, 16 pierres ont été enlevées, la dernière image correspondant à une mesure différente, toutes les pierres de la zone ayant été remuées, et qui représente le cas à détecter et à séparer des autres,ainsi que les 6 images précédentes compressées. L'image de référence est l'image de la figure 15. Le nombre au bas de chacune d'elle est la valeur du test ci-dessus, tracé figures 17 et 18. L'écart type est en ordonnée, en fonction du nombre de pierres enlevées, en abscisse logarithmique figure 18. Le chamboulement complet correspondant à 100 pierres remuées, ce qui est le nombre approximatif de pierres apparentes sur la zone contrôlée. Second algorithme revendiqué: compensation des erreurs de repères de coordonnées.

Il existe toujours une incertitude d'identification des repères de coordonnées d'une image, Xr et Yr. Le test précédent appliqué en ce cas est mis en échec, puisque les points de comparaison entre référence et mesure diffèrent. L'algorithme suivant supprime ce défaut. Il consiste à rechercher l'écart type minimal, entre une image compressée et l'image de référence recalculée par interpolation pour tout dx et tout dy situé dans le domaine d'un carreau comprimé. Pour cela, les pixels sont interpolés selon la relation simple ci-dessous. La figure 21 représente les indices des paramètres utilisés. L'algorithme s'écrit : 1) pour tous les carreaux de la référence ; 2) pour tous les dx allant de 0 à Xc ; 3) pour tous les dy allant de 0 à Yc ; 4) calcul de Pix1 (interpolation selon l'axe des i) : Pixl = Pix(i-1,j-1) + (Pix(i-1,j) - Pix(i-1,j-1)) * dx/Xc Calcul de Pix2 (interpolation sein l'axe des i+l) : Pix2 = Pix(i,j-1) + (Pix(i,j) -Pix(i,j-1)) * dx/Xc Calcul de la valeur interpolée à la coordonnée dx,dy (interpolation selon l'axe des j passant par le point dx,dy) : Pix(x,y) = Pixl + (Pix2-Pixl) * dy/Yc Xc et Yc étant les valeurs des cotés des carreaux de l'image compressée, égaux par exemple à 30mm comme présenté figure 19. 5) calcul du test pour toutes les valeurs dx et dy ; 6) recherche de la valeur qui est la plus petite Tm de tous les tests effectués. Les 15 coordonnées des décalages optimaux sont Xm et Ym 7) Tm est le test statistiquement le meilleur, Xm et Ym étant les valeurs de décalage des mesures les plus probables . Ces calculs sont étendus pour tous les dx et dy situés dans un domaine allant de û Xc à +Xc et de ûYc à +Yc, ce qui nécessite les pixels moyennés de 9 carreaux de la 20 référence comme présenté figure 19, pris 4 par 4. La puissance de calcul de cette méthode est parfaitement adaptée à la puissance des microprocesseurs 32 et 64 bits, dont la capacité de calcul est surabondante. Une interpolation plus sophistiquée est envisageable, telle une interpolation parabolique. 25 L'efficacité de cette méthode revendiquée est visible figure 20, où les résultats de ce test utilisant les faciès mesurés précédents, figure 16, ont été tracés pour des erreurs de mesures allant de 0 à 40 mm, et des carreaux carrés de 30 cm de coté selon le tableau ci-dessous (dx et dy, décalages imposés, sont en millimètres) : dx dy 30 première évaluation : 0 0 seconde évaluation : 0 20 troisième évaluation : 20 20 quatrième évaluation : 0 40 Trois évaluations du tableau concernent l'axe Y et une seule l'axe X : ceci permet 35 de tenir compte que les erreurs de mesure sont statistiquement plus importantes selon l'axe des Y (cheminement) que selon l'axe transversal X. 11 Ainsi, le critère d'alerte de chamboulement est quasi identique pour les 4 décalages ci-dessus, il est compris entre 0.98 et 1.05, comme présenté figure 20, ce qui est très précis compte tenu du caractère aléatoire du champ d'expérimentation. Troisième algorithme revendiqué : compensation des variations des faciès dues à 5 la présence ou à l'absence d'humidité. La figure 14a est l'image d'un ballast sec, la figure 15a l'image du même ballast recouvert d'eau. L'application directe du test revendiqué devrait être efficace, à condition que les différences entre les 2 situations correspondent à des variations linéaires et identiques de la luminosité et des contrastes, ce qui n'est pas le cas. Il existe toujours une 10 différence, sorte de bruit de fondcaractéristique du niveau d'humidité du ballast. La courbe A figure 21 traduit le résultat du test comparant une image de référence d'un ballast sec aux images du même ballast, recouvert d'un film d'eau. La courbe B figure 21 représente le résultat du test auquel à été soustrait le résultat du test comparant l'image de référence à la même image humide. Cette valeur soustraite, 15 qui est calculée à chaque instant, évolue lentement avec le degré d'humidité du ballast rencontré. Le test niveau du test d'alerte reste identique à la valeur (0.1) de l'écart type estimé figure 20. L'évolution des valeurs successives du test, convenablement extrapolée et filtrée afin de ne pas prendre en compte les fluctuations résultantes d'une modification du faciès à détecter, est en permanence soustraite à la valeur du test effectué au temps présent. 20 La courbe figure 22 représente l'image de cet algorithme : D est la courbe lissée fluctuant en fonction de l'albedo du faciès, C est le point extrapolé pour le test à venir, A et B sont 2 tests significatifs, les différences AA' et BB' étant à comparer aux seuils d'alerte.

Description des procédures d'alerte robustes. 25 Les niveaux de test d'alerte ci-dessus ne sont applicables qu'au faciès testé. Par contre, ce niveau est fluctuant car ils dépendent des positions relatives des pierres. Les figures 23 et 24 traduisent les résultats de 4 fois 500 simulations appliquées à 2 quadrillages, les carreaux du premier, figure 23, ont 10 millimètres de côté, les carreaux du second 30 millimètres de côté. Les pixels de chaque carreau ont été choisis aléatoirement 30 entre 0 et 255, étendue de mesure la plus basse proposée par les caméras numériques. Les courbes A correspondent à une complète modification des pixels, les courbes B à une modification de 50% des pixels, les courbes C à 25% et la courbe D à 9%. Ces courbes sont des courbes de probabilités cumulées : l'abscisse correspond au seuil de test, l'ordonnée à la proportion de faciès détectés. Par exemple, figure 23, la droite verticale 35 menée de l'abscisse 4 indique que 86% des aires remuées sont détectées, mais aussi que 28% des aires à demi remuées sont détectées, ainsi que 4% des aires remuées à 25%.

Le même test figure 24, appliqué au même seuil de 86% pour la courbe A, donne pour des bougés identiques, respectivement 50%, 32% pour les courbes B et C. Le choix de la finesse du quadrillage est donc primordial. Les fausses alertes provoquées par ce test disparaissent pratiquement, car une alerte doit être vue en général des 2 côtés du rail, et sur 2 à 3 images voisines : le déraillement d'un train nécessite une charge d'explosif capable de détruire une longueur conséquente de rail, de l'ordre d'au moins un demi intervalle séparant les roues d'un bogie d'où l'étendue des modifications du ballast. En cumulant statistiquement les tests sur 2 ou 3 images contiguës, l'efficacité 10 devient excellente : Probabilité de détection d'un bougé de : 100% 50% 25% Test appliqué sur une seule image : 86% 28% 4% Test appliqué sur deux images : 98% 8% 1.6% Test appliqué sur trois images : 99,7% 2% 0.006% 15 D'autres situations sont envisageables : les pierres en surnombre sont réparties aux alentours et améliorent l'alerte, qui n'est alors pas fixée à un seul seuil, mais à l'évolution des tests étalés sur un ou plusieurs mètres de voie, afin de faire émerger une très forte probabilité d'intervention agressive et de supprimer les fausses alertes. L'assemblage de ces traitements permet d'ajuster le maillage du quadrillage à la 20 valeur la moins contraignante pour son transfert ultérieur.

Description des moyens de transfert des données mesurées et compressées. Le faciès du ballast évolue au passage de chaque train : certaines pierres sollicitées par les vibrations ou par le vent généré par le passage du train bougent et prennent des 25 positions plus stables, Les données compactées ne sont donc pas immuables, d'autant plus que la présence de pluie modifie l'albedo. Selon l'invention, les données enregistrées par un train sont transmises au train suivant, en utilisant les moyens actuels que proposent les technologies des télétransmissions. Par exemple, figure 25, le train A arrivant dans la gare B, transmet par ondes 30 hertziennes son fichier à une borne C proche d'un réseau de télétransmission public ou privé, ledit fichier est réceptionné à la borne D proche de la gare E située en amont, qui le transmet à l'administration du réseau ferré G. En cas d'alerte survenant pendant le trajet, le train en route avertit immédiatement l'administration du réseau ferré G, utilisant le réseau de transmission propre au réseau ferré, afin qu'une décision soit prise, fonction des 35 interventions d'entretien en cours sur la voie ou de l'éventualité d'une modification inopinée et non identifiée, donc dangereuse. L'administration du réseau ferré transmet alors le nouveau profil de voie au train en partance F.

13 Selon les capacités de transmission des réseaux de télétransmission, les données peuvent être transmises en totalité ou limitées aux faciès pour lequel le test a identifié une évolution significative du profil. La figure 26 représente les 3 possibilités : pour les tests inférieurs au niveau A, aucun rafraîchissement de la base de données n'est effectué, pour les niveaux allant de A à B, l'image compressée est rafraîchie, pour les niveaux au dessus de B, l'alerte est déclenchée et l'administration prévenue décide de la conduite à tenir, soit accepter le faciès résultant d'une intervention de maintenance, soit déclencher une intervention de contrôle. Ainsi, selon l'invention, l'application de ces 3 algorithmes, associé aux moyens matériels précédemment décrits fournit un moyen efficace de détection des variations de faciès de ballast et donc d'alerter et de garantir la sécurité des transports ferroviaires en évitant des déraillements catastrophiques provoqués ou inopinés. D'une manière générale, le dispositif de prise d'image du ballast peut être installé sur tous les trains où sur certains trains seulement, en fonction des coûts et suivant la 15 fréquence de renouvellement des images que l'on veut obtenir. 20 5 10 20 25 30 35

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 - Dispositif de surveillance en temps réel de l'état du ballast de voies ferrées contigu aux rails, installé sur différents trains, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optoélectroniques de lecture du faciès local du ballast par prise d'images, des moyens de traitement des images comportant une compensation des mouvements du bogie et un recalage des coordonnées longitudinales et transversales des images, des moyens de compression et de traitement numérique des images, des moyens de tests d'identification comparée de deux images prises au même endroit par deux trains successifs, et de compensation des variations d'albedo dues à l'état du ballast, sec, humide ou couvert d'eau, et des moyens de transfert d'informations vers un poste de traitement fixe ou vers un autre train, pour réaliser une détection des variations de faciès du ballast entre les deux prises d'images.

2 - Dispositif de surveillance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens optoélectroniques comportent un ensemble de caméras numériques (1, 2), et d'éclairages par impulsion (30, 31), protégés des salissures par des moyens de protection comme un flux d'air propre issu d'une soufflerie (17), des essuie glaces (28) ou des gicleurs d'eau (26, 27).

3 - Dispositif de surveillance selon la revendication 2, caractérisé en ce que les caméras (1, 2) et les éclairages pulsés (30, 31) fournissent une image du ballast en temps réel suivant la vitesse du train, avec une précision de l'ordre du millimètre, quelle que soit la vitesse du train.

4 - Dispositif de surveillance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de compensation des mouvements du bogie comportent des capteurs de distance (7, 7', 8, 8') mesurant la distance séparant les axes des roues d'un bogie et le châssis suspendu (4) de ce bogie sur lequel est fixé un boîtier (3) comportant les moyens optoélectroniques, les informations de ces capteurs de distance (7, 7' 8 8') étant utilisées pour compenser des erreurs dues aux mouvements du châssis (4). - Dispositif de surveillance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de recalage des coordonnées utilisent le contraste de l'image entre le bord du chemin de roulement sur la face supérieure du rail, et la face latérale verticale de celui-ci pour servir de référence aux coordonnées transversales de l'image, perpendiculaire au cheminement. 6 - Dispositif de surveillance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de recalage des coordonnées utilisent au moins l'un des dispositifs suivants, des repères optiques fixés au sol destinés à identifier le lieu géodésique de départ des mesures selon l'axe de cheminement Y, des informations délivrées par le capteur de vitesse ou de distance du train, et des variations de contraste de l'image entre ballast et traverses pour 5 15 20 25 30 3515 définir avec précision un codage de la distance parcourue indépendant des mouvements de terrain. 7 - Dispositif de surveillance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de compression ou de traitement numérique des images du ballast situé entre deux traverses (20) réalise un quadrillage de l'image en surfaces élémentaires, chaque surface élémentaire pouvant dépasser plusieurs centimètres, et calcul une valeur moyenne des amplitudes lumineuses de tous les pixels mesurés compris dans cette surface élémentaire. 8 -Dispositif de surveillance selon la revendication 7, caractérisé en ce que la comparaison de deux images prises au même endroit par deux trains successifs, utilise un test basé sur l'écart type du rapport de la moyenne des pixels du carreau mesuré à la moyenne du même carreau mesuré au cours d'un passage précédent, l'écart type étant étendu à tous les carreaux du quadrillage de moyenne non nulle. 9 - Dispositif de surveillance selon la revendication 8, caractérisé en ce que le test basé sur l'écart type du rapport de la moyenne des pixels est étendu à tous les décalages dx selon la direction transversale X et dy selon la direction longitudinale Y situés dans un domaine allant de ùXc à +Xc et de ùYc à +Yc, Xc et Yc étant les dimensions d'un carreau, et utilise une interpolation incluant les pixels moyennés de 9 carreaux de la référence pris quatre par quatre, et en ce que on recherche l'écart-type minimum parmi les écart-types de tous les pixels fournissant un recalage précis des 2 images, pour obtenir le reflet quasi exact des différences entre les images. 10 - Dispositif de surveillance selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on réalise la mise en mémoire des écart-types de chaque image suivie d'un lissage de ces écart-types caractérisant en l'absence de perturbation du faciès l'état de l'albedo du ballast mesuré, cette valeur extrapolée à l'image en cours de traitement étant soustraite de l'écart type de cette image. 11 -Dispositif de surveillance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on traite statistiquement les tests de plusieurs images contiguës afin de supprimer les fausses alertes. 12 - Dispositif de surveillance selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on transmet une alerte dès lors que le niveau du test approche le niveau délivré par une image du ballast complètement remué. 13 - Dispositif de surveillance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise un procédé ne transmettant que les variations d'images significatives pouvant être appliqué afin d'alléger le flux transmis, après une éventuelle certification par un administrateur qui décide de la dangerosité d'une alerte.