FR3114886A1 - Surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal (10), caractérisé en ce qu’il comprend :- une étape de détection des ondes mécaniques se déplaçant le long de l’élément longitudinal (10) au moyen d’un réseau (14) de capteurs d’ondes mécaniques placés le long et au contact de l’élément longitudinal, ledit réseau (14) comprenant au moins une première paire (A) de capteurs (1,2) positionnés chacun à une extrémité d’une première portion (10a) de l’élément longitudinal (10), et- une étape de traitement des signaux issus des capteurs (1,2) dudit réseau (12) de capteurs, ladite étape de traitement comportant la détermination d’au moins un premier signal résultant d’une première corrélation de signaux délivrés par les capteurs (1,2) de la première paire (A) de capteurs sur une première période temporelle prédéterminée. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal
La présente invention concerne un procédé de surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal et un système de surveillance pour la mise en œuvre de ce procédé.
De nombreux systèmes ou structures, tels que les constructions, les ponts, les ascenseurs ou les réseaux ferroviaires, comprennent des éléments longitudinaux, notamment métalliques, comme des câbles, des rails, des barrières ou des éléments de structure. Ces éléments longitudinaux servent souvent de support ou de soutien à des éléments du système et il est donc important de connaître l’état physique de ces éléments longitudinaux, notamment leur état d’usure, ou la variation de cet état physique au cours du temps.
Les variations d’état physique de ces éléments longitudinaux peuvent être dues à leur utilisation en elle-même mais aussi à leur exposition à des conditions climatiques variables (ensoleillement, pluie, gel..) ou au milieu ambiant dans lesquels ils sont installés, par exemple dans le cas d’éléments longitudinaux immergés.
Les rails de chemin de fer, par exemple, s’usent au fil du temps, d’une part, par le passage répété des trains et, d’autre part, par leur exposition à des conditions climatiques pouvant être extrêmes. Afin d’éviter que les rails ne se cassent ou ne se fissurent lors du passage d’un train, il est important de surveiller leur état d’usure.
Dans l’art antérieur, des méthodes existent pour effectuer la surveillance des rails. Une des méthodes actuellement utilisée est le contrôle visuel des rails. Une autre méthode possible pour une telle surveillance se base sur la sismique dite « passive », consistant à placer des capteurs d’ondes sismiques ou d’autres ondes mécaniques à proximité des rails pour identifier les variations sur les signaux propagés par le sol et qui ont été générés par les ondes mécaniques liées au contact entre les roues du train et le rail lors du passage du train.
Cependant, ces méthodes permettent uniquement de détecter une détérioration importante du rail comme une fissure, voire une rupture. Par ailleurs, ces méthodes ne peuvent pas s’appliquer à tout type d’éléments longitudinaux comme par exemple les câbles de soutien de ponts suspendus.
Il serait donc intéressant de disposer d’une solution permettant d’effectuer une surveillance de l’état physique de tout type d’élément longitudinal, notamment en vue d’étudier la variation de l’état physique de cet élément longitudinal au cours du temps et en fonction des conditions auxquelles cet élément longitudinal est ou a été soumis, et de détecter une usure de cet élément longitudinal à un stade précoce.
Un premier objet de l’invention est un procédé de surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal, ledit procédé comprenant :
- une étape de détection des ondes mécaniques se déplaçant le long de l’élément longitudinal au moyen d’un réseau de capteurs d’ondes mécaniques placés le long et au contact de l’élément longitudinal, ledit réseau comprenant au moins une première paire de capteurs positionnés chacun à une extrémité d’une première portion de l’élément longitudinal, et
- une étape de traitement comprenant
la détermination d’une première pluralité de signaux interférés déterminés pour une première pluralité de périodes temporelles, chaque signal interféré étant déterminé à partir de signaux délivrés par les capteurs de la première paire sur une période temporelle prédéterminée, chaque période temporelle correspondant à une fraction d’une première durée, et
la détermination d’une deuxième pluralité de signaux interférés déterminés pour une deuxième pluralité de périodes temporelles, chaque signal interféré étant déterminé à partir de signaux délivrés par les capteurs de la première paire sur une période temporelle prédéterminée chaque période temporelle correspondant à une fraction d’une deuxième durée,
l’étape de traitement comprenant en outre
la somme des signaux interférés de la première pluralité de signaux permettant d’obtenir une première trace virtuelle pour la première durée,
la somme des signaux interférés de la deuxième pluralité de signaux permettant d’obtenir une deuxième trace virtuelle pour la deuxième durée, et
la comparaison de la première trace virtuelle avec la deuxième trace virtuelle de manière à extraire au moins une information sur l’état physique de la première portion.
Le procédé de surveillance de l’invention permet de surveiller un élément longitudinal grâce aux ondes mécaniques se déplaçant le long de ce dernier. Les capteurs étant placés le long et au contact de l’élément longitudinal, ils détectent les ondes mécaniques directement, et ce, sans qu’elles soient passées par un autre matériau ou milieu comme le sol. Le signal interféré obtenu après l’étape de traitement est donc uniquement représentatif de l’élément longitudinal et contient peu de, voire aucun, signaux parasites, à la différence de solutions connues dans lesquelles des capteurs sont placés à distance de l’élément longitudinal et des ondes sont transmises par l’intermédiaires du sol.
Par ailleurs, il est possible d’étudier des portions de n’importe quelle longueur selon l’endroit où les capteurs sont placés.
Dans l’invention, les signaux interférés sont issus de l’application d’une technique d’interférométrie sur les signaux d’une paire de capteur, en particulier sur un couple de signaux, l’un des signaux de ce couple provenant du premier capteur d’une paire et l’autre signal de ce couple provenant du deuxième capteur de la même paire. La technique d’interférométrie appliquée peut être par exemple de l’intercorrélation (parfois appelée corrélation), de la convolution, de la déconvolution et/ou tout autre méthode d’interférométrie. L’application d’une technique d’interférométrie permet avantageusement d’obtenir des signaux utilisables car cette technique permet de s’affranchir de la signature du signal émis/détecté et d’extraire la composante de propagation dudit signal.
Selon le procédé de l’invention, la première période temporelle peut correspondre à une fraction d’une période totale de détection des ondes mécaniques par les capteurs de la première paire de capteurs.
Selon d’autres caractéristiques possibles :
- les signaux interférés peuvent être des signaux intercorrélés ; selon ce mode de réalisation, la technique d’interférométrie utilisée est l’intercorrélation ;
- le procédé peut être mis en œuvre pour une pluralité de paires de capteurs ;
- la première et la deuxième durée peuvent être identiques et être égales à une journée ;
- l’élément longitudinal peut être un rail d’une voie de chemin de fer, le réseau de capteurs étant apte à détecter les ondes mécaniques générées par le passage d’au moins un train sur la voie, et chaque période temporelle correspondant à un passage du train sur le rail ; en particulier la période temporelle débute lorsque que les capteurs d’une paire commencent à détecter des ondes mécaniques liées à l’approche du train et se termine lorsque les capteurs d’une paire ne détectent plus d’ondes mécaniques liées au passage du train.
Un deuxième objet de l’invention est un système de surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal, caractérisé en ce qu’il comprend :
- un réseau de capteurs d’ondes mécaniques placés le long et au contact de l’élément longitudinal, ledit réseau comprenant au moins une première paire de capteurs positionnés chacun à une extrémité d’une première portion de l’élément longitudinal, et
- un système de traitement des signaux issus des capteurs dudit réseau de capteurs, le système de traitement étant configuré pour
déterminer au moins une première trace virtuelle pour une première durée, ladite première trace virtuelle étant obtenue par la somme des signaux d’une première pluralité de signaux interférés déterminés à partir de signaux délivrés par les capteurs de la première paire de capteurs sur une première pluralité de périodes temporelles prédéterminées, lesdites périodes temporelles étant chacune une fraction de la première durée,
déterminer au moins une deuxième trace virtuelle pour une deuxième durée, ladite deuxième trace virtuelle étant obtenue par la somme des signaux d’une deuxième pluralité de signaux interférés déterminés à partir de signaux délivrés par les capteurs de la première paire de capteurs sur une deuxième pluralité de périodes temporelles prédéterminées, lesdites périodes temporelles étant chacune une fraction de la deuxième durée, et
comparer la première trace virtuelle avec la deuxième trace virtuelle.
Selon d’autres caractéristiques possibles :
- au moins un capteur du réseau de capteurs peut être un géophone ou un accéléromètre ;
- le réseau de capteurs peut être réalisé au moins partiellement par une fibre optique associée à un dispositif de détection acoustique distribuée (DAS) ;
- le système peut comprendre une source d’ondes mécaniques configurée pour générer les ondes mécaniques détectées par le réseau de capteurs ;
- l’élément longitudinal peut être un rail d’une voie de chemin de fer, et le réseau de capteurs peut être apte à détecter les ondes mécaniques générées par le passage d’au moins un train sur la voie.
Un autre procédé de surveillance d’un élément longitudinal est également décrit, ledit procédé comprenant :
- une étape de détection des ondes mécaniques se déplaçant le long de l’élément longitudinal au moyen d’un réseau de capteurs d’ondes mécaniques placés le long et au contact de l’élément longitudinal, ledit réseau comprenant au moins une première paire de capteurs positionnés chacun à une extrémité d’une première portion de l’élément longitudinal, et
- une étape de traitement des signaux issus des capteurs dudit réseau de capteurs, ladite étape de traitement comportant la détermination d’au moins un premier signal interféré déterminé à partir de signaux délivrés par les capteurs de la première paire de capteurs sur une première période temporelle prédéterminée,
l’étape de traitement comprenant en outre
- la détermination d’un deuxième signal interféré pour la première paire de capteurs et pour une deuxième période temporelle, et
- une comparaison du premier signal interféré et du au moins un deuxième signal interféré de manière à extraire au moins une information sur l’état physique de la première portion.
Un autre procédé de surveillance d’un élément longitudinal est également décrit, ledit procédé comprenant :
- une étape de détection des ondes mécaniques se déplaçant le long de l’élément longitudinal au moyen d’un réseau de capteurs d’ondes mécaniques placés le long et au contact de l’élément longitudinal, ledit réseau comprenant au moins une première paire de capteurs positionnés chacun à une extrémité d’une première portion de l’élément longitudinal et au moins une deuxième paire de capteurs positionnés chacun à une extrémité d’une deuxième portion de l’élément longitudinal, et
- une étape de traitement des signaux issus des capteurs dudit réseau de capteurs comportant
la détermination d’au moins un premier signal interféré déterminé à partir de signaux délivrés par les capteurs de la première paire de capteurs sur une première période temporelle,
la détermination d’au moins un deuxième signal interféré déterminé à partir de signaux délivrés par les capteurs de la deuxième paire de capteurs sur la première période temporelle, et
une comparaison du premier signal interféré et du au moins un deuxième signal interféré de manière à extraire au moins une information sur l’état physique de la première portion et/ou de la deuxième portion.
Selon ce procédé, la première et la deuxième portions peuvent être contiguës et l’un des capteurs du réseau être commun à la première paire de capteurs et à la deuxième paire de capteurs.
Les dessins annexés illustrent l’invention :
La figure 1 représente un système de surveillance de l’état physique d’un rail selon un mode de réalisation de l’invention ;
La figure 2a représente un organigramme illustrant un premier procédé de surveillance selon l’invention ;
La figure 2b représente un premier exemple de signal obtenu par le procédé de la figure 2a ;
La figure 2c représente un deuxième exemple de signal obtenu par le procédé de la figure 2a ;
La figure 2d représente un exemple d’application du premier procédé de surveillance de l’invention ;
La figure 3a représente un organigramme illustrant un procédé de surveillance selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
La figure 3b représente un exemple de signaux obtenus dans le cadre du procédé de la figure 3a ;
La figure 4a représente un organigramme illustrant un procédé de surveillance selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;
La figure 4b représente un exemple de signaux obtenus dans le cadre du procédé de la figure 4a ;
La figure 4c représente un exemple de signaux obtenus dans le cadre du procédé de la figure 4a ; et
La figure 5 représente une méthode de surveillance additionnelle pouvant être réalisée en utilisant au moins une partie du système de la figure 1.
Description de mode(s) de réalisation
Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l’invention ont été représentés de manière schématique et ceci, sans respect de l’échelle.
Les procédés de surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal selon l’invention ainsi que les systèmes permettant de mettre en œuvre ces procédés vont être décrits dans le cas où l’élément longitudinal à surveiller est un rail de voie ferrée, par exemple, le premier rail 10 représenté sur la figure 1, formant avec un deuxième rail 10’ une voie ferrée 20 sur laquelle peut se déplacer un train 30. Cependant, il s’agit d’un exemple de réalisation non limitatif et l’invention peut s’appliquer à tout type d’élément longitudinal permettant une propagation d’ondes mécaniques, notamment sismique ou vibratoire et dont on souhaite surveiller la variation d’état physique.
Le rail 10 peut être linéaire ou courbé, la courbure pouvant être selon une première et/ou selon une deuxième direction, la première direction étant horizontale et perpendiculaire à l’axe longitudinal du rail 10 et la deuxième direction étant verticale et perpendiculaire à l’axe longitudinal du rail 10.
Pour permettre la surveillance de l’état d’au moins une première portion 10a du rail 10, un système 12 de surveillance de l’état physique du rail 10 selon l’invention comprend :
- un réseau 14 de capteurs d’ondes mécaniques placés le long et au contact du rail 10, le réseau 14 comprenant au moins une première paire A de capteurs 1 et 2 positionnés à chacune des extrémités de la première portion 10a du rail 10, et
- un module 40 de traitement des signaux issus des capteurs dudit réseau 14 de capteurs.
Dans l’exemple illustré sur la figure 1, le réseau 14 comprend en outre une deuxième paire B de capteurs formée par un troisième capteur 3 et un quatrième capteur 4 chacun placés à une extrémité d’une deuxième portion 10b du rail 10, et une troisième paire C de capteurs formée par le quatrième capteur 4 et un cinquième capteur 5 placés chacun à une extrémité d’une troisième portion 10c du rail 10.
Dans l’exemple illustré, les capteurs du réseau 14 sont intégrés dans des récepteurs discrets placés de façon régulière et espacés d’une distance constante, par exemple une distance pouvant aller de un mètre à quelques dizaines de mètres. Cette répartition régulière est avantageusement choisie sur toute la longueur du rail qui est soumise aux mêmes conditions d’usure. En variante non représentée, les capteurs, ou les récepteurs comprenant les capteurs, peuvent être répartis de façon irrégulière, sur tout ou partie du rail. Une répartition différente des capteurs, au moins sur certaines longueurs du rail peut être intéressante pour prendre en compte le fait que certaines parties du rail sont susceptibles d’être soumises à des conditions d’usure plus importantes comme par exemple les zones de virage.
Dans la présente invention, un récepteur discret comprend un capteur ainsi qu’une unité de transmission/enregistrement, et permet de mesurer et enregistrer les ondes mécaniques puis de transmettre les données enregistrées vers le système 40 de traitement.
Chacun des capteurs du réseau 14 de capteurs peut-être choisi parmi les capteurs de technologie éprouvée de type géophone, accéléromètre et/ou autre capteur d’ondes mécaniques. Dans un mode de réalisation préféré, tous les capteurs du réseau 14 de capteurs peuvent être identiques de sorte à simplifier les traitements et la maintenance. Selon un autre exemple de réalisation possible, les capteurs du réseau 14 de capteurs peuvent être un mélange de capteurs différents. Les capteurs peuvent être choisis par exemple en fonction de leur robustesse, leur taille, la facilité de déploiement et la fiabilité requise : ainsi par exemple, un réseau de microcapteurs (connus sous l’anglicisme Micro-Electro-Mechanical Systems ou MEMS) identiques peut être préféré.
Dans un mode de réalisation possible, le réseau 14 de capteurs peut être réalisé au moins partiellement par une fibre optique associée à un dispositif de détection acoustique distribuée (DAS). La technologie DAS qui est connue de l’homme du métier permet d’utiliser la fibre optique comme un ensemble de capteurs équivalents qui seraient positionnés à des intervalles prédéfinis le long du parcours de la fibre.
L’avantage de la technologie DAS est que la fibre optique peut s’étendre sur plusieurs dizaines, voire centaines de kilomètres le long du rail ou de tout autre élément longitudinal et présente un faible coût. Par ailleurs, la position de chacun des capteurs équivalents le long de la fibre optique n’est pas figée dans le temps et peut être choisie en fonction de la surveillance que l’on souhaite réaliser. En effet, la détection des ondes mécaniques le long du rail se fait sur toute la longueur de la fibre optique, et c’est lors de l’étape de traitement que l’on décide de la position de chacun des capteurs équivalents en fonction de la ou des portions sur lesquelles on souhaite réaliser la surveillance. La fibre optique offre ainsi une grande souplesse d’utilisation. Comme pour les modes de réalisation utilisant des capteurs discrets, le DAS peut être configuré pour que les capteurs équivalents soient positionnés de façon régulière, irrégulière, ou de façon régulière ou irrégulière en alternance.
Toute combinaison de capteurs peut être utilisée. Il est possible par exemple de placer une fibre optique le long du rail 10 sur une première partie du rail et de placer des capteurs discrets sur une deuxième partie du rail. Il est également possible de placer une fibre optique sur toute la longueur du rail ou sur une partie de la longueur du rail 10 et de positionner des capteurs discrets même dans certaines zones de la partie couverte par la fibre optique.
Selon un mode de réalisation préféré illustré ci-après, les deux capteurs d’une même paire de capteurs sont deux accéléromètres identiques.
Les capteurs 1 à 5 sont couplés mécaniquement au rail 10, de préférence par contact direct. Ainsi, ils peuvent détecter directement des ondes mécaniques, sismiques ou vibratoires, se déplaçant le long du rail contrairement aux systèmes de l’art antérieur qui captent les ondes mécaniques transmises du rail au capteur par l’intermédiaire du sol. Les ondes mécaniques qui vont pouvoir être détectées sont par exemple générées par une source qui est, dans ce mode de réalisation, le train 30 lorsqu’il passe sur la voie ferrée 20.
Chacun des capteurs du réseau 14 est relié à un système de traitement des signaux détectés. Dans le mode de réalisation illustré, le système de traitement est représenté par un module 40 de traitement relié (de façon filaire ou sans fil) à chacun des capteurs du réseau 14 qui reçoit en conséquence les signaux détectés par chacun des capteurs du réseau. Le module de traitement 40 peut comporter une unité centrale physique, ou être implémentée par l’intermédiaire d’internet (connu sous l’anglicisme « Cloud Computing »). Le système 40 de traitement peut comprendre également des éléments de traitement embarqués directement sur les capteurs du réseau 14. De fait, le système 40 de traitement peut prendre toute configuration mixte, avec du traitement embarqué, du « cloud computing » et/ou une unité centrale, permettant de réaliser le traitement du signal intégré à l’invention
Chaque capteur détecte les ondes mécaniques sur une durée prédéterminée et le signal correspondant est transmis vers le module 40 de traitement. Le module 40 de traitement comprend des moyens pour effectuer une étape d’interférométrie sur une période temporelle prédéterminée.
Le système 12 permet de mettre en œuvre trois procédés de surveillance de l’état physique du rail 10, ces trois procédés ayant en commun :
- une étape de détection des ondes mécaniques se déplaçant le long du rail 10 au moyen du réseau 14 de capteurs d’ondes mécaniques placés le long et au contact du rail 10, ledit réseau 14 comprenant au moins la première paire A de capteurs 1 et 2 positionnés chacun à une extrémité de la première portion 10a du rail 10, et
- une étape de traitement des signaux issus des capteurs 1 et 2 dudit réseau 14 de capteurs, ladite étape de traitement comportant la détermination d’au moins un premier signal interféré résultant de l’application d’une technique d’interférométrie, par exemple d’une intercorrélation, à des signaux délivrés par les capteurs 1 et 2 de la première paire A de capteurs sur une première période temporelle P1 prédéterminée.
L’application d’une méthode d’interférométrie permet avantageusement d’obtenir des signaux utilisables, en particulier d’obtenir des signaux interférés en appliquant l’interférométrie à deux signaux d’une paire de capteurs.
Pour construire ces signaux interférés, on peut pratiquer de l’intercorrélation (parfois appelé corrélation), de la convolution, de la déconvolution et/ou tout autre méthode d’interférométrie.
Dans les exemples de réalisation qui vont être décrits, la technique d’interférométrie utilisée est l’intercorrélation (ou corrélation), cependant, ces exemples de réalisation peuvent s’appliquer à tout autre méthode d’interférométrie.
Le premier et le deuxième capteurs détectent chacun un ensemble d’ondes mécaniques se déplaçant le long du rail 10, et en particulier le long de la première portion 10a, au moins durant la première période temporelle P1. Chacun des capteurs 1 et 2 de la première paire A délivre alors un signal correspondant à l’ensemble des ondes mécaniques détectées et qui est transmis au module 40 de traitement.
Le module 40 de traitement génère alors un premier signal intercorrélé résultant d’une première étape d’interférométrie à partir des signaux délivrés par les capteurs de la première paire A de capteurs 1 et 2 sur une première période temporelle P1 prédéterminée. Cette étape d’interférométrie est de préférence réalisée par intercorrélation, mais tout autre méthode serait adaptée ; il s’agit ici de s’affranchir de la signature du signal émis/détecté et d’extraire la composante de propagation dudit signal. Ainsi, grâce à cette étape, le signal est décorrélé de la nature du train en tant que source de sorte qu’il sera possible d’en suivre l’évolution même si la source change. L’intercorrélation des signaux du premier capteur 1 et du deuxième capteur 2 permet donc d’obtenir un premier signal déconvolué de la signature de la source, ce signal représentant une trace simplifiée, et répétable, de la propagation des ondes mécaniques au sein du rail.
Le premier signal interféré déterminé à l’issue de l’étape de traitement permet d’extraire une ou plusieurs informations sur l’état physique de la portion 10a durant la première période temporelle P1. En particulier, le premier signal peut donner des indications sur l’état physique de la portion 10a à un instant donné qui correspond à la première période temporelle.
Une période temporelle selon l’invention correspond à une fraction de la durée totale de détection des ondes mécaniques par les capteurs d’une paire de capteurs. Cette période temporelle peut être plus ou moins longue selon la qualité du signal voulu et selon la quantité et/ou l’intensité des ondes mécaniques détectées par les capteurs. La période temporelle peut ainsi aller de plusieurs secondes à plusieurs heures, jours, mois… De préférence, la période temporelle peut être choisie pour correspondre aux horaires de passage des trains.
Un premier procédé 100 pouvant être mis en œuvre au moyen du système 12 est illustré sur la figure 2a. Ce premier procédé permet la surveillance de l’état physique d’une seule portion du rail 10 au cours du temps et va être décrit pour la première portion 10a.
Le procédé 100 comprend l’étape de détection 110 des ondes mécaniques se déplaçant le long du rail 10, et en particulier le long de la première portion 10a, par la première paire A de capteurs 1 et 2. Le procédé 100 comprend également l’étape de traitement 120 comportant la détermination d’un premier signal intercorrélé Scor A -P1 résultant d’une première intercorrélation d’un signal S1-P1délivré par le premier capteur 1 et d’un signal S2-P1délivré par le deuxième capteur 2, sur la première période temporelle (figure 2b).
Selon le procédé 100 l’étape de traitement comprend en outre :
- la détermination d’au moins un deuxième signal intercorrélé Scor A -P 2résultant d’une deuxième intercorrélation de signaux S1-P 2et S2-P 2délivrés par les capteurs de la première paire A sur une deuxième période temporelle P2 prédéterminée (figure 2c) ; et
- une comparaison 123 du premier signal intercorrélé Scor A -P 1et du deuxième signal intercorrélé Scor A - P 2de manière à obtenir au moins une information sur l’état physique de la première portion 10a.
Selon ce procédé, le module 40 de traitement est configuré pour déterminer le premier signal intercorrélé Scor A - P 1et le deuxième signal intercorrélé Scor A - P 2et pour effectuer une comparaison du premier signal intercorrélé Scor A - P 1et du deuxième signal intercorrélé Scor A - P 2 de manière à extraire au moins une information sur l’état physique de la première portion 10a.
La comparaison du premier signal intercorrélé Scor A - P1 et du deuxième signal intercorrélé Scor A - P2réalisée par le module 40 de traitement permet notamment d’évaluer la variation de l’état physique de la première portion 10a entre la première période temporelle P1 et la deuxième période temporelle P2. Cette comparaison peut se faire de façon visuelle, ou automatiquement par toute méthode connue, comme un calcul de corrélation.
Dans le cas où les deux signaux sont identiques à l’issue de cette comparaison, le procédé 100 permet de conclure que l’état physique de la première portion 10a n’a pas varié entre la période P1 et la période P2. En revanche, dans le cas où les deux signaux ne sont pas identiques, le procédé 100 permet de savoir que l’état physique de la première portion 10a a varié entre la première période P1 et la deuxième période P2. Il est alors possible de relier cette variation de signal avec des variations de certains paramètres entre les périodes P1 et P2 comme par exemple une différence de conditions climatiques ou une longue période de temps écoulé qui peut indiquer une usure du rail le long de cette portion.
La durée et le moment de la journée (ou de la semaine, du mois…) des périodes temporelles P1 er P2 peuvent être choisis selon l’information que l’on veut obtenir sur l’état physique de la première portion 10a du rail 10. Si l’on veut connaitre, par exemple, la variation de l’état physique du rail au cours d’une journée en fonction de l’ensoleillement, de la température, de l’humidité…, chacune des périodes P1 et P2 peut aller de plusieurs minutes à une ou deux heures. Cependant, si l’on veut connaître l’évolution de l’état physique du rail 10, et notamment son état d’usure sur une longue période de temps (par exemple une ou plusieurs années), chacune des périodes P1 et P2 peut aller de quelques jours à quelques mois. Il est également possible de choisir les périodes P1 et P2 en fonction des horaires de passage des trains le long de la première portion 10a.
Selon un mode de réalisation, les capteurs 1 et 2 de la première paire A peuvent enregistrer les ondes mécaniques se déplaçant le long du rail de façon continue durant une phase d’enregistrement prédéterminée et les périodes temporelles P1 er P2 sont sélectionnées dans cette phase d’enregistrement. Autrement dit, les phases P1 et P2 constituent chacune une fraction temporelle de la phase d’enregistrement. Selon cette première variante, la phase d’enregistrement peut avoir une durée allant de plusieurs secondes à plusieurs années.
Selon un autre mode de réalisation, les capteurs 1 et 2 de la première paire A peuvent enregistrer les ondes mécaniques se déplaçant le long du rail uniquement durant les périodes P1 et P2 prédéterminées.
Les périodes P1 et P2 peuvent être espacées d’une durée pouvant aller de quelques secondes à quelques mois ou elles peuvent au contraire se suivre sans interruption.
Le premier procédé 100 est de préférence réitéré de façon à obtenir une surveillance continue de l’état du rail et il peut donc être répété un nombre de fois illimité.
Dans l’exemple de réalisation illustré sur la figure 2d, l’étape d’interférométrie, qui est de l’intercorrélation dans cet exemple, est réalisée neuf fois pour neuf périodes temporelles P1 à P9. Dans l’étape 123, les neuf signaux intercorrélés Scor-P1à Scor-P9obtenus sont comparés ce qui permet d’identifier que le signal varie au cours des périodes P1 à P9, et donc que l’état physique du rail a été modifié au cours des périodes P1 à P9 : on note ainsi un début d’usure au niveau du signal intercorrélé Scor - P7correspondant à la période temporelle P7, cette usure se poursuivant par la suite. Selon un mode de réalisation possible, le procédé peut comprendre une étape d’alarme permettant d’alerter si le signal, ou la différence entre le signal et la moyenne « normale », dépasse un certain seuil.
Dans cet exemple de réalisation, chaque période temporelle dure 1 mois et le procédé permet donc d’étudier la variation de l’état physique du rail 10 durant 9 mois. La modification des signaux intercorrélés Scor-P1à ScorP9de façon continue au cours des 9 mois visible sur la figure 2d peut par exemple signifier que le rail 10 s’est usé au fil du temps sur la portion 10a. Selon un autre exemple de réalisation, chaque période temporelle peut durer 1 heure et le procédé peut ainsi permettre d’étudier la variation de l’état physique du rail pendant 9 heures. Dans le cas où les périodes temporelles P1 à P9 vont de 5h du matin à 14h dans une période de fortes chaleurs, la variation de l’état physique du rail peut signifier que le rail s’est dilaté sous l’effet de la chaleur. Par ailleurs, dans le cas où le lendemain, le signal montre la même variation temporelle ou poursuit une détérioration continue, il est possible de considérer le changement comme « normal » ou de générer une alarme.
Un deuxième procédé 200 illustré sur la figure 3a peut également être mise en œuvre au moyen du système 12 de surveillance.
Le deuxième procédé 200 permet de réaliser la surveillance du rail 10, et en particulier d’étudier la variation de son état physique pour plusieurs durées comprenant chacune une pluralité de périodes temporelle. Ce procédé peut permettre par exemple de réaliser la surveillance d’une portion de rail jour après jour.
Le deuxième procédé 200 comprend l’étape de détection 210 des ondes mécaniques se déplaçant le long du rail 10, et en particulier le long de la première portion 10a, par la première paire A de capteurs 1 et 2. Le deuxième procédé 200 comprend également l’étape de traitement 220 comportant :
- la détermination 221 d’une première pluralité de signaux intercorrélés Scor A - P1 - PNcorrespondants à une intercorrélation de signaux délivrés par les capteurs de la première paire A sur une pluralité de périodes temporelles correspondant chacune à une fraction d’une première durée D, et
- la détermination 221’ d’une deuxième pluralité de signaux intercorrélés Scor A - P ’ 1 - P ’ Ncorrespondants à une intercorrélation de signaux délivrés par les capteurs de la première paire A sur une pluralité de périodes temporelles correspondant chacune à une fraction d’une deuxième durée.
L’étape de traitement comporte également la somme 222 des signaux de la première pluralité de signaux intercorrélés Scor A - P1 - PNpermettant d’obtenir une première trace virtuelle SsomA-P1-PNpour la première durée (figure 3b), ainsi que la somme 222’ des signaux de la deuxième pluralité de signaux intercorrélés Scor A - P ’ 1 - P’Npermettant d’obtenir une deuxième trace virtuelle SsomA - P’1-‘PNpour la deuxième durée (figure 3b).
L’étape de traitement 220 comprend alors une étape de comparaison 223 permettant de comparer la première et la deuxième traces virtuelle l’une à l’autre.
Selon ce deuxième procédé 200, une période temporelle P peut par exemple correspondre au passage d’un train sur le rail 10 et la durée peut être d’une journée. Ainsi, à la fin d’une journée, on obtient une première trace virtuelle SSomA -P 1- P N, dont la qualité est améliorée par rapport au signal intercorrélé obtenu à chaque passage de train et le procédé peut permettre de réaliser une surveillance journalière dans le cas où l’on répète le procédé sur plusieurs jours, semaines, mois…
Selon ce deuxième procédé, le module 40 de traitement est configuré pour
- effectuer la somme des signaux intercorrélés pour une durée comportant plusieurs périodes temporelles, et
- comparer la première trace virtuelle SSomA-P1-P Net la deuxième trace virtuelle SSomA-P’1-P’N de manière à extraire au moins une information sur la variation de l’état physique de la première portion 10a sur plusieurs durées.
Un troisième procédé 300 illustré sur la figure 4a peut également être mis en œuvre au moyen du système 12 de surveillance.
Le deuxième procédé 300 comprend l’étape de détection 310 qui comporte la détection 310Ades ondes mécaniques se déplaçant le long du rail 10, et en particulier le long de la première portion 10a, par la première paire A de capteurs 1 et 2. Le procédé 300 comprend également l’étape de traitement 320 comportant la détermination d’un premier signal intercorrélé Scor A -P1 résultant d’une première intercorrélation d’un signal S1-P1délivré par le premier capteur 1 et d’un signal S2-P1délivré par le deuxième capteur 2, sur la première période temporelle (figure 4b).
Selon le deuxième procédé 300, l’étape de détection 310 comporte en outre la détection 310Bdes ondes mécaniques au moyen de la deuxième paire B de capteurs 3 et 4 du réseau 14. Par ailleurs, l’étape de traitement comporte en outre :
- la détermination 320Bd’au moins un deuxième signal intercorrélé Scor B -P1résultant d’une deuxième corrélation de signaux S3-P1et S4-P1délivrés par les capteurs de la deuxième paire B de capteurs sur la première période temporelle P1 (figure 4c), et
- une comparaison 330 du premier signal intercorrélé Scor A -P1 et du deuxième signal intercorrélé Scor B -P1de manière à extraire au moins une information sur l’état physique de la première portion 10a et/ou de la deuxième portion 10b.
Selon ce troisième procédé, le module 40 de traitement est configuré pour
- déterminer au moins le deuxième signal intercorrélé Scor B -P1, et
- comparer le premier signal intercorrélé Scor A -P1et le deuxième signal intercorrélé Scor B -P1 de manière à extraire au moins une information sur l’état physique de la première portion 10a et/ou de la deuxième portion 10b.
Dans le cas où le premier et le deuxième signaux intercorrélés Scor A -P1 et Scor B -P1sont différents, il est possible de conclure qu’une des deux portions est plus usée ou est plus abîmée que l’autre par les conditions, par exemple climatiques ou d’utilisation, auxquelles les deux portions sont soumises. La comparaison peut se faire de façon similaire à précédemment décrit. En revanche, dans le cas où les deux signaux sont identiques, il est possible de conclure que les deux portions présentent le même état d’usure et/ou la même évolution suite à l’exposition à des conditions particulières de température, humidité…
Ce troisième procédé a été décrit dans le cas où la première et la deuxième portions sont espacées comme c’est le cas pour les portions 10a et 10b. Cependant, ce procédé 200 peut également s’appliquer à un système dans lequel la première et la deuxième portions sont contiguës et dans lequel un des capteurs du réseau de capteur est commun à la première et à la deuxième paire. Comme illustré sur la figure 1, la première portion peut être la portion 10b et la deuxième portion peut être la portion 10c. Dans ce cas, la première et la deuxième portions ont en commun le quatrième capteur 4 qui constitue le deuxième capteur de la paire B et le premier capteur de la paire C.
Le procédé 300 n’est pas limité à deux portions de rail et peut au contraire s’appliquer à un nombre plus ou moins grand de portions. Selon un exemple de réalisation, le procédé 300 peut être appliqué au système 12 illustré sur la figure 1 et qui comprend la première portion 10a, la deuxième portion 10b et une troisième portion 10c.
Selon cet exemple de réalisation, les trois portions 10a, 10b et 10c sont identiques. La mise en œuvre du procédé 300 sur ces trois portions peut permettre d’obtenir un signal pour chacune des portions, les trois signaux pouvant alors être comparés. Par exemple, l’obtention de deux signaux identiques et d’un troisième signal différent des deux autres peut indiquer la présence d’au moins une anomalie (usure, cassure, déformation…) sur l’une des trois portions. Dans le cas où trois signaux différents sont obtenus, les trois portions ou deux des trois portions peuvent présenter une ou plusieurs anomalies.
Selon un mode de réalisation, il est possible d’effectuer la surveillance journalière décrite précédemment (selon le deuxième procédé) de manière à effectuer une surveillance de l’état physique de chacune des portions au fil des jours et également de voir si l’état physique d’une ou de plusieurs portions varie différemment des autres portions au fil des jours. Dans les différents modes de réalisation qui ont été décrits, les capteurs étaient placés uniquement le long du rail 10 de la voie 20. Cependant, les capteurs peuvent être placés sur les deux rails 10 et 10’ de la voie 20, selon la même répartition ou selon une répartition différente.
De manière additionnelle avec les modes de réalisation précédemment décrits, les ondes émises par le train 30 passant sur la voie 20 peuvent être utilisées pour effectuer la surveillance du sous-sol entre deux rails 10’ et 10’’ d’une voie 22 qui s’étend parallèlement à la voie 20 selon la méthode décrite dans la demande de brevet WO2020/021177. Pour cela, des couples de capteurs 1’’-1’’’ à 5’’-5’’’ peuvent être placés sur des rails 10’’ et 10’’’ de la voie 22 (figure 5). Lorsque le train 30 passe sur la voie 20 et en l’absence de passage de train sur la voie 22, les couples de capteurs placés sur la voie 22 permettent la surveillance du sous-sol entre le rail 10’’ et le rail 10’’’ par interférométrie. De la même manière, la surveillance du sous-sol entre les deux rails 10 et 10’ de la voie 20 pourrait être réalisée en plaçant des capteurs sur le rail 10’ et en utilisant les ondes émises par un train qui passerait sur la voie 22.
Par ailleurs, en complément des modes de réalisation précédemment décrits, les capteurs 1 à 5 du rail 10 (ou d’une manière générales les capteurs placés sur un rail et permettant la mise en œuvre des procédés de l’invention) peuvent être en outre utilisés pour réaliser une analyse modale du rail le long duquel ils sont placés. La méthode d’analyse modale est connue de l’homme du métier et permet notamment l’étude du modèle dynamique du rail le long duquel sont placés les capteurs.
De manière additionnelle avec les modes de réalisation précédemment décrits et lorsque le réseau de capteur est formé par une fibre optique, la fibre optique peut être utilisée pour mesurer la déformation de l’élément longitudinal contre lequel elle est placée, par exemple un rail de chemin de fer. Pour cela, la fibre optique est associée à un dispositif de détection associé.
Selon un exemple de réalisation possible, le procédé 300 peut être réalisé pour un certain nombre de portions initiales, par exemple d’une longueur de 100 mètres. Lorsque qu’une anomalie est identifiée sur une de ces portions initiales, une analyse plus fine peut être réalisée en divisant cette portion initiale en plusieurs portions secondaires, par exemple d’une longueur de 10 mètres afin d’identifier la ou les portions secondaires responsable de l’anomalie de la portion initiale.
Selon un mode de réalisation possible, le premier procédé 100 et le deuxième procédé 200 peuvent être combinés. Pour cela, il est possible d’effectuer le procédé de surveillance pour plusieurs périodes temporelles, et ce, pour plusieurs portions. Il est alors possible de comparer les signaux de plusieurs portions et ce pour plusieurs périodes temporelles ce qui peut permettre d’étudier la variation d’état physique de chaque portion au court du temps et de comparer aussi les portions les unes aux autres afin de détecter d’éventuelles anomalies. De même, il est possible de combiner le deuxième et le troisième procédés afin de surveiller plusieurs portions pour différentes durées.
Les procédés 100, 200 et 300 de l’invention, qu’ils soient pris seuls ou en combinaison, permettent ainsi d’effectuer des mesures fines de variations ténues de l’état physique d’un rail et donc de fournir un diagnostic régulier, par exemple journalier, de l’état physique d’un rail. Avantageusement, la méthode de corrélation des signaux par interférométrie permet d’extraire la composante de propagation du signal en élimination la composante due à la source. Il est alors possible de mesurer des indicateurs identifiés du signal comme la vitesse de propagation, l’amplitude, la forme de l’onde, la fréquence de résonnance…et ce, pour chaque portion surveillée. L’analyse des variations de ces indicateurs au cours de plusieurs périodes temporelles pour une portion du rail donnée et/ou pour différentes portions du rail permet l’identification d’une portion usée du rail.
Dans l’exemple de réalisation qui vient d’être décrit, l’élément longitudinal est un rail et, le ou les trains passant sur le rail sont utilisés comme source d’ondes mécaniques. Cependant, l’élément longitudinal peut être tout type d’élément longitudinal associé à une source d’ondes mécaniques comme par exemple des câbles d’un pont suspendu ou un élément de structure d’un pont pour lesquels la source d’ondes mécaniques peut être le passage des voitures sur le pont, ou un câble d’ascenseur pour lequel la source d’ondes mécaniques peut être le mouvement de l’ascenseur.
Selon d’autres modes de réalisation, l’élément longitudinal peut ne pas être associé à une source d’ondes mécaniques de par son utilisation et une source d’ondes mécaniques peut alors être ajoutée pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention. La source peut alors être tout type de dispositif causant des chocs et/ou des vibrations sur l’élément longitudinal comme par exemple un dispositif qui taperait sur l’élément longitudinal à une fréquence régulière ou non.

Claims (10)

  1. Procédé (200) de surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal (10), caractérisé en ce qu’il comprend :
    - une étape (210) de détection des ondes mécaniques se déplaçant le long de l’élément longitudinal (10) au moyen d’un réseau (14) de capteurs d’ondes mécaniques placés le long et au contact de l’élément longitudinal, ledit réseau (14) comprenant au moins une première paire (A) de capteurs (1,2) positionnés chacun à une extrémité d’une première portion (10a) de l’élément longitudinal (10), et
    - une étape (220) de traitement comprenant
    la détermination (221) d’une première pluralité de signaux interférés (ScorA - P1 - PN) déterminés pour une première pluralité de périodes temporelles (P1-PN), chaque signal interféré étant déterminé à partir de signaux délivrés par les capteurs de la première paire A sur une période temporelle prédéterminée, chaque période temporelle correspondant à une fraction d’une première durée (D), et
    la détermination (221’) d’une deuxième pluralité de signaux interférés (ScorA - P’1 - P’N) déterminés pour une deuxième pluralité de périodes temporelles (P’1-P’N), chaque signal interféré étant déterminé à partir de signaux délivrés par les capteurs de la première paire A sur une période temporelle prédéterminée, chaque période temporelle correspondant à une fraction d’une première durée (D’),
    l’étape de traitement comprenant en outre
    la somme (222) des signaux de la première pluralité de signaux interférés (ScorA - P1 - PN) permettant d’obtenir une première trace virtuelle (SsomA-P1-PN) pour la première durée (D),
    la somme (222’) des signaux de la deuxième pluralité de signaux interférés (ScorA - P’1 - P’N) permettant d’obtenir une deuxième trace virtuelle (SsomA - P’1-‘PN) pour la deuxième durée (D’), et
    la comparaison (223) de la première trace virtuelle (SsomA-P1-PN) avec la deuxième trace virtuelle (SsomA-P’1-P’N) de manière à extraire au moins une information sur l’état physique de la première portion (10a).
  2. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les signaux interférés sont des signaux intercorrélés.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il peut être réalisé pour une pluralité de paires de capteurs.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première et la deuxième durée sont identiques et sont égales à une journée.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé à ce que l’élément longitudinal (10) est un rail d’une voie de chemin de fer, le réseau (12) de capteurs étant apte à détecter les ondes mécaniques générées par le passage d’au moins un train sur la voie, et en ce que chaque période temporelle correspond à un passage du train sur le rail.
  6. Système (12) de surveillance de l’état physique d’un élément longitudinal (10), caractérisé en ce qu’il comprend :
    - un réseau (12) de capteurs d’ondes mécaniques placés le long et au contact de l’élément longitudinal, ledit réseau (12) comprenant au moins une première paire (A) de capteurs positionnés chacun à une extrémité d’une première portion (10a) de l’élément longitudinal (10), et
    - un système (40) de traitement des signaux issus des capteurs dudit réseau (12) de capteurs, le système (40) de traitement étant configuré pour déterminer au moins une première trace virtuelle pour une première durée, ladite première trace virtuelle étant obtenue par la somme des signaux d’une première pluralité de signaux interférés(ScorA-P1) déterminés à partir de signaux (S1-P1,S2-P1) délivrés par les capteurs (1, 2) de la première paire (A) de capteurs sur une première pluralité de périodes temporelles (P1-PN) prédéterminées, lesdites périodes temporelles étant chacune une fraction de la première durée,
    déterminer au moins une deuxième trace virtuelle pour une deuxième durée, ladite deuxième trace virtuelle étant obtenue par la somme des signaux d’une deuxième pluralité de signaux interférés (ScorA-P1) déterminés à partir de signaux (S1-P1,S2-P1) délivrés par les capteurs (1, 2) de la première paire (A) de capteurs sur une deuxième pluralité de périodes temporelle (P1-PN) prédéterminées, lesdites périodes temporelles étant chacune une fraction de la deuxième durée, et
    comparer la première trace virtuelle avec la deuxième trace virtuelle.
  7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’au moins un capteur du réseau (12) de capteurs est un géophone ou un accéléromètre.
  8. Système selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le réseau (12) de capteurs est réalisé au moins partiellement par une fibre optique associée à un dispositif de détection acoustique distribuée (DAS).
  9. Système selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le système comprend une source d’ondes mécaniques configurée pour générer les ondes mécaniques détectées par le réseau (12) de capteurs.
  10. Système selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l’élément longitudinal (10) est un rail d’une voie de chemin de fer, et en ce que le réseau (12) de capteurs est apte à détecter les ondes mécaniques générées par le passage d’au moins un train sur la voie.
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