LabVIEW va surveiller les infrastructures ferroviaires pour leur ouverture aux trains européens

Author(s):
Nicolas Roussel - CEA, LIST - Laboratoire de Mesures Optiques,

Industry:
Transportation, Electromechanics/ Electrotechnics

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, Multifunction DAQ, Software

The Challenge:
Développer un système permettant la caractérisation métrologique de l’interaction entre le pantographe et la caténaire, pour garantir que les locomotives de différents opérateurs n’endommagerons pas le réseau ferré qu’elles emprunteront dans le cadre de la déréglementation européenne des transports sur rail.

The Solution:
Le CEA LIST a basé son système sur une instrumentation autonome qui, disposée le long des voies et interrogeable en liaison sans fil, enregistre des mesures d’analyse spectrale issues d’une centaine de capteurs à réseaux de Bragg fibrés, avec une résolution spectrale sub-picométrique.

Dans le cadre de la dérégulation du secteur ferroviaire, la Commission Européenne lance des initiatives de recherche visant à améliorer la fiabilité et la disponibilité des réseaux ferrés transnationaux. Dans ce contexte, le CEA LIST participe au projet européen CATIEMON (pour CATenary InterfacE MONitoring), piloté par Siemens, et qui se déroule en partenariat avec des compagnies ferroviaires et des industriels européens assurant l’exploitation, la maintenance et la surveillance des infrastructures de leur réseau ferré.

Assurer l’exploitation, la maintenance et la surveillance des infrastructures ferroviaires

Le rôle du CEA LIST consiste plus précisément à développer à la fois des Capteurs à Fibres Optiques reposant sur la technologie des réseaux de Bragg mais aussi une instrumentation de mesure et de démultiplexage dédiée. L’ensemble  aura pour fonction de caractériser l’interaction entre les lignes caténaires et les pantographes des trains empruntant un réseau donné. Les mesures obtenues serviront à optimiser la maintenance et à accroître la disponibilité des infrastructures. En outre, la caractérisation métrologique de l’interaction entre le pantographe et la caténaire, permettra de garantir que les locomotives des différents opérateurs ne pourront pas endommager ou dégrader le réseau ferré qu’elles emprunteront.

Sonder les déformations mécaniques sur des lignes caténaires alimentées sous une tension de 25 000 Volts, alors même que des trains commerciaux (transport de passagers et/ou de fret) circulent à des vitesses pouvant atteindre 200 voire 250 km/h, nécessite une technologie de capteurs non seulement insensible aux perturbations électromagnétiques mais également peu intrusive et robuste. C’est ici qu’interviennent les réseaux de Bragg fibrés.

Minuscules et invisibles, gravés par la lumière d’un laser UV dans le cœur de fibres optiques habituellement dédiées aux communications Internet, les capteurs à réseaux de Bragg sont de plus en plus utilisés pour des mesures de température et de déformations mécaniques, et ce dans de nombreux secteurs industriels particulièrement exigeants en terme de fiabilité et de performances : citons par exemple ceux du Génie Civil, de l’Aéronautique et désormais les Transports Ferroviaires.

C’est le LMO, Laboratoire de Mesures Optiques du Département des Technologies du Capteur et du Signal du CEA-LIST, qui mène les activés relatives à la métrologie optique, en particulier sur les Capteurs à Fibres Optiques (CFO) et les systèmes associés

Un système de mesure d’analyse spectrale ultra-performant

Pour exploiter pleinement leur potentiel et répondre aux attentes des responsables d’infrastructures ferroviaires partenaires du projet CATIEMON, le CEA LIST vient d’achever une toute nouvelle instrumentation exploitant des technologies dernier cri, tant optiques qu’optoélectroniques. Le système, ultra performant, effectue des mesures d’analyse spectrale issues d’une centaine de capteurs à  réseaux de Bragg fibrés.

L’acquisition et le traitement du signal ont été entièrement réalisés avec des produits National Instrument. L’acquisition est effectuée par une carte de la Série S qui possède  8 convertisseurs en parallèles (6 voies de mesures et 2 voies de références). Les 6 voies de mesure sont référencées et scrutées simultanément à une cadence de 1 kHz, et avec une résolution spectrale sub-picométrique. Cette cadence de mesures nécessite d’échantillonner le signal à 1 MHz par voie, ce qui  engendre un flux de donnée de 16 Mo/s traité en continu par un programme écrit en LabVIEW.

L’instrumentation incorpore et gère une fonction de transmission de données sans fil grâce à une antenne et une carte réseau WiFi. Les mesures sont calculées et envoyées sur RJ45 et WiFi, via le protocole des variables partagées de LabVIEW. L’instrumentation se comporte donc comme un groupe Serveur/Client.

Un système serveur exploité par des PC clients

Tout utilisateur peut se connecter au système à distance par WiFi, ou au travers d’un câble Ethernet, à l’aide par exemple d’un ordinateur portable. Il configure ainsi tout à la fois les paramètres de mesure et/ou de sauvegarde, et vérifie le bon fonctionnement des capteurs et du système sur le long terme, puis récupère les données acquises pour leur post-traitement. Le client peut se déconnecter à tout moment, sans pour autant interrompre les mesures en cours ainsi que la sauvegarde de ces dernières, l’instrumentation étant autonome.

La conception de ce système a soigné tout particulièrement l’ergonomie et les fonctionnalités de l’interface logicielle. Celle-ci incorpore de nombreuses fonctionnalités, dont les principales sont :

-          La configuration des capteurs avec une interface conviviale exploitant des fonctionnalités tels que le glissé-déposé, la fabrication d’arbre hiérarchique suivant le type de capteurs, etc.

-          La génération de capteurs utilisateurs, qui peuvent être réalisés avec un ou plusieurs capteurs en incluant des opérateurs mathématiques. Cette fonctionnalité utilise les fonctions Mathscript de LabVIEW.

-          L’affichage des mesures dans l’espace temporel et fréquentiel sur des fenêtres séparées de l’application principale. Une vingtaine de fenêtres peuvent être lancées simultanément, elles peuvent être redimensionnées, et commuter sur différents écrans si le PC client en possède plus d’un.

-          Le contrôle des disques connectés sur l’instrumentation pour gérer les fichiers d’enregistrement des mesures.

Des performances décuplées

Par rapport aux précédents systèmes développés, cette nouvelle génération décuple les performances tout en réduisant d’un facteur trois l’encombrement. Elle exploite en particulier le potentiel des amplificateurs tout optiques fibrés, jusqu’alors réservés au domaine des transmissions transocéaniques

Les fonctionnalités qu’offre le système s’avèrent particulièrement utiles et bénéfiques dans le cadre d’applications déployant un réseau de capteurs sur le terrain. Ainsi, le long d’infrastructures ferroviaires, le système de mesure peut être placé de manière durable et à proximité des voies. L’utilisateur n’a plus alors qu’à se positionner à portée de l’instrumentation pour paramétrer, vérifier ou récupérer ses mesures, tout en restant à distance de sécurité, et en ne gênant aucunement la circulation quasi-permanente des rames commerciales.

Plus loin et plus vite

A terme, l’instrumentation pourra également profiter pleinement des évolutions des normes WiFi qui autoriseront des distances de transmission accrues (plusieurs centaines de mètres) et des débits encore plus élevés. Et grâce à son interface logicielle évolutive, elle s’adaptera aisément aux exigences spécifiques de l’ensemble des domaines d’application de la technologie des réseaux de Bragg.

Fort des résultats encourageants obtenus, le CEA LIST va poursuivre le développement de cette instrumentation, pour atteindre des fréquences de mesure allant jusqu’à 10 kHz, doubler la plage d’excursion, tout en améliorant le rapport signal-sur-bruit.                     

Avril 2008

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Nicolas Roussel
CEA, LIST - Laboratoire de Mesures Optiques,
CEA-Saclay, Bât. 528 p120 PC 94
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Tel: + 33 1 69 08 99 48
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