Titre de l’invention : Dispositif et Procédé de gestion de ressources pour la surveillance de structures allongées.

[0001 ] Domaine de l’invention

[0002] L’invention concerne le domaine de la surveillance de structure allongée pouvant faire office de guide d’ondes élastiques, et concerne en particulier la gestion de ressources énergétiques dédiées à la surveillance de telles structures allongées.

[0003] Etat de la Technique

[0004] Dans le secteur ferroviaire, le rail est une structure allongée dont il faut surveiller l’intégrité. Soumis à des sollicitations thermomécaniques très fortes (e.g. contraintes internes à cause de la dilatation thermique contrariée, passage des trains), les portions de rail s’usent au fur et à mesure du temps et peuvent parfois être sujets à des casses franches. L’état des voies doit être surveillé pour diminuer voire supprimer les risques de déraillement. L’entretien d’un réseau ferroviaire représente un enjeu majeur en termes de coût et de sécurité pour les opérateurs ferroviaires.

[0005] Plusieurs approches déjà mises en oeuvre sont connues pour surveiller l’intégrité des rails :

[0006] La détection des casses s’effectue actuellement par un système appelé « circuit de voie >> qui consiste à faire circuler un faible courant électrique dans les rails. Lorsqu’un train s’engage dans une portion donnée, son essieu court-circuite les deux rails. Ce système permet ainsi de s’assurer que la voie est libre, qu’il n’y a pas un wagon perdu qui a été perdu par un train qui précède, et donc que le train peut s’engager dans la portion. Incidemment, ce système détecte une partie des casses de rails (lorsque la discontinuité électrique est suffisamment importante), mais pas forcément toutes. Cette approche circuit de voie pour la détection d’essieux est toutefois en cours d’abandon au profit d’un système appelé « compteur d’essieux >> qui compare le nombre d’essieux entrant dans la portion et ceux qui en sortent. Mais la fonction détection de casse n’est pas couverte par ce nouveau système.

[0007] La détection de défauts plus précoces, type fissure, se fait à l’aide d’appareils de contrôle, visuels et par ultrasons, voire électromagnétiques, embarqués sur un train de maintenance qui circule le long des voies tel que décrit dans la demande US 2015/0068296 A1 . Pour des questions de performance de détection, ce train ne peut pas circuler aux vitesses commerciales mais plus lentement, ce qui cause nécessairement une gêne voire une interruption de trafic. Cette approche comporte au moins deux inconvénients :

- Vu le nombre de kilomètres à contrôler sur le réseau ferroviaire, chaque portion est alors contrôlée très peu souvent, et donc il y a un risque de casse avant que l’amorce ne soit détectée ; et

- Les techniques embarquées n’ont généralement accès qu’à la surface du rail, et ne peuvent donc contrôler que la partie supérieure du rail (i.e. le champignon).

[0008] Une autre approche connue pour surveiller l’état des rails est une approche basée sur l’analyse de signaux issus d’ondes élastiques guidées, le rail étant alors un guide d’ondes élastiques. Cette solution consiste à disposer le long du rail, des transducteurs (un transducteur pouvant aussi être désigné par le terme « capteur ») qui émettent des ondes élastiques guidées dans les rails, lesquelles ondes interagissant avec des défauts (rupture ou autre défaut plus mineur) génèrent un signal diffracté qui est analysé par un logiciel spécialisé implémenté dans un dispositif électronique (aussi désigné comme « nœud >> électronique au sens de « hub >> mutualisant des ressources électroniques), l’ensemble des dispositifs électroniques constituant un réseau de nœuds configurés pour détecter et localiser un défaut. Un système de surveillance d’une voie ferrée peut comprendre une pluralité de nœuds électroniques répartis en réseau sur les rails, chaque nœud pouvant être associé à un ou plusieurs transducteurs, et faisant une analyse locale des signaux qu’il reçoit, grâce à un logiciel d’analyse embarqué. Les résultats des analyses des nœuds électroniques peuvent être communiqués, en général par une technologie de communication sans fil, à un serveur distant pour permettre une analyse plus globale.

[0009] Par ailleurs, un système de surveillance de rails dépend fortement de la topologie de la voie : la longueur des rails, leurs géométries, la présence de système(s) de télécommunication, la fréquence de passage des trains, ... Les systèmes connus sont développés et ajustés à l’environnement dans lequel ils sont installés. Pour toute nouvelle installation, une nouvelle phase d’étude doit être menée pour adapter l’architecture du système au nouvel environnement, quelle que soit la technologie de surveillance retenue, entraînant des coûts importants de redesign. Il n’existe actuellement pas de système générique qui soit adaptable directement à un nouvel environnement.

[0010] Aussi, au vu des différentes limites des solutions existantes, il existe le besoin d’une solution qui pallie les inconvénients précités.

[0011] Résumé de l’invention

[0012] La présente invention peut être utilisée pour la surveillance de câbles, tuyaux ou toute autre structure allongée, c’est-à-dire possédant une direction privilégiée, pouvant faire office de guide d’ondes élastiques, pour lesquelles la technique de surveillance est basée sur l’analyse d’ondes élastiques. L’analyse de la propagation des ondes permet de renseigner sur l’intégrité du guide d’ondes et donc sur la présence ou non de défaut.

[0013] Différentes structures industrielles se présentent sous la forme de guides d’ondes élastiques allongés : par exemple un rail dans le domaine ferroviaire ou dans des structures de type portique. Un tuyau transportant un fluide est aussi une structure allongée pour laquelle il peut être critique de s’assurer l’intégrité (notamment dans les domaines pétroliers ou nucléaires). De même l’invention peut s’appliquer pour la surveillance de câbles, par exemple pour les systèmes de transport de passagers (téléphérique ou autre).

[0014] Dans un mode de fonctionnement dit « actif », l’analyse s’effectue sur les ondes émises par un transducteur. Dans un mode de fonctionnement dit « passif >>, l’analyse s’effectue sur les ondes élastiques générées par le passage d’un dispositif mobile sur ou dans ou à proximité de la structure surveillée.

[0015] En mode passif, le dispositif mobile sur un rail est généralement un train ou un chariot mobile. Le contact roue-rail va générer les ondes élastiques guidées qui seront analysées. Pour des tuyaux transportant des fluides, le déplacement de robots mobiles circulant pour diverses missions (inspection visuelle par exemple) et munis de roues ou de chenilles pour se mouvoir dans le tuyau, peut être une source d’ondes élastiques pouvant être analysées. Pour des câbles, soit un dispositif de type télécabine se déplace à l’aide de roues sur le câble, soit le câble est tracté et se déplace guidé par exemple par des roues. Dans les deux cas, dans le repère du câble un dispositif mobile parcourt la longueur du câble et est la source d’ondes élastiques se propageant dans le câble.

[0016] L’invention a pour objet un dispositif de type nœud électronique installé le long ou à proximité d’un guide d’ondes élastiques, utilisable en particulier dans un système de surveillance de l’état de guides d’ondes allongés basé sur l’analyse de signaux issus d’ondes ultrasonores élastiques guidées, qui optimise la consommation énergétique des ressources utilisées pour l’inspection du guide d’ondes.

[0017] Dans une mise en œuvre générale, le dispositif de l’invention a une architecture électronique modulaire pour laquelle seuls les modules fonctionnels nécessaires à une installation donnée sont activés et rendus opérationnels.

[0018] Avantageusement, le dispositif de l’invention qui par construction est générique, est d’application immédiate dans différents environnements, quelle qu’en soit la topologie.

[0019] Avantageusement, le dispositif de l’invention a un coût de déploiement inférieur aux solutions connues pour l’application ferroviaire, car il est transposable sans nouvelle phase de conception à différents marchés et différents pays : métros/trains avec des géométries des rails et des topologies de voies différentes ; des longueurs de rails variées ; la présence ou non d’éclisse et autres éléments de voies. Seul le programme d’allocation des ressources est éventuellement à calibrer pour une nouvelle application. Ainsi, un seul dispositif matériel est à produire et à maintenir, ce qui est beaucoup plus simple industriellement et moins coûteux que de devoir produire un nouveau dispositif par marché.

[0020] Le dispositif de l’invention présente entre autres avantages :

- De fonctionner en mode actif (avec émission d’ondes guidées par le système) et/ou en mode passif (avec exploitation du bruit généré lors du passage d’un dispositif mobile sur la structure) ;

- De fonctionner en pulse-écho et/ou transmission, offrant une facilité d’interprétation des signaux, de localisation des défauts pour le 1 ^er nœud voisin, d’une portée à un 2 ^eme nœud voisin, une fiabilité de diagnostic si les deux signaux sont utilisés ;

- De supporter différents protocoles de communication : LoRa pour les communications « longue distance - bas débit - faible consommation >> I Wifi- Bluetooth pour les communications « courte distance - haut débit - forte consommation >>, mais aussi la possibilité de communication filaire (ethernet, fibre optique) si la situation l’autorise et le nécessite ;

- D’avoir différentes sources d’alimentation possibles : panneaux solaires, batteries, secteur, récupération d’énergie vibratoire de la structure ;

- De permettre des prises de décision en local ou en déporté sur un serveur distant ;

- De ne pas nécessiter de connexion filaire entre les noeuds : l’insertion d’un nœud électronique dans le réseau est de type « plug and play >>.

[0021] Avantageusement, le dispositif de l’invention est mis en œuvre par un procédé de gestion des ressources qui permet une stratégie optimisée de l’utilisation du dispositif en se basant sur ses fonctionnalités multiples afin d’exploiter les ressources, notamment énergétiques, au plus juste. La gestion optimisée des ressources permet notamment de limiter la consommation énergétique du nœud électronique et donc de prolonger la durée d’exploitation du système global sans intervention de maintenance s’il est sur une source d’alimentation autonome (ou batteries/panneaux solaires plus petits/moins chers etc...).

[0022] Avantageusement, le dispositif de l’invention comporte un mode dit de secours pour pallier certaines défaillances matérielles (circuit d’émission d’ondes, composants parmi les plus critiques car susceptible de chauffer), ce qui permet de limiter l’interruption de service du système de surveillance. Le dispositif de l’invention étant plus robuste à certaines défaillances matérielles, cela induit une diminution des coûts de maintenance.

[0023] Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé de gestion de ressources pour la surveillance de structure allongée pouvant faire office de guide d’ondes élastiques. La structure est instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux mesurant des grandeurs caractéristiques d’ondes élastiques se propageant dans la structure, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique installé le long de la structure. Un dispositif électronique comprend au moins des moyens pour traiter les signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur et un processeur ayant des instructions de code pour mettre en œuvre des étapes du procédé de gestion de ressources consistant à: - initialiser un dispositif électronique en mode nominal, ledit mode nominal permettant d’initier une inspection de la structure allongée par une analyse locale d’ondes élastiques générées lors du passage d’un dispositif mobile à proximité d’un transducteur ou initialiser le dispositif en mode détection, ledit mode détection permettant d’initier par un transducteur une émission d’ondes élastiques dans la structure allongée et de faire une inspection de la structure allongée par une analyse locale de signaux issus des ondes élastiques émises ;

- maintenir le dispositif électronique en mode nominal ou basculer le dispositif électronique en mode détection quand une anomalie est détectée lors d’une inspection en mode nominal ;

- maintenir le dispositif électronique en mode détection ou basculer le dispositif électronique en mode expertise quand un défaut est détecté lors d’une inspection en mode détection, ledit mode expertise permettant de transmettre des données de signaux issus d’ondes élastiques émises dans ladite structure à un serveur distant pour générer une analyse plus poussée.

[0024] Selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés:

- l’étape d’initialiser le dispositif en mode nominal consiste au moins à désactiver les composants de haute tension, le GNSS, et la communication GSM.

- le procédé comprend avant l’étape de basculer le dispositif électronique en mode détection, une étape consistant à déterminer le temps ‘Td’ s’écoulant entre une augmentation du niveau de bruit moyen dans ladite structure allongée et le passage d’un dispositif mobile à proximité d’un transducteur.

- le procédé comprend une étape consistant à réveiller des dispositifs électroniques voisins dudit dispositif électronique, si le temps ‘Td’ correspond à une baisse par rapport à une valeur minimum enregistrée.

- l’étape de basculer le dispositif électronique en mode détection comprend une étape consistant à activer les composants de haute tension pour alimenter les amplificateurs assurant l’émission des ondes élastiques et à activer le GNSS pour synchroniser ledit dispositif avec les dispositifs électroniques voisins.

- l’étape de faire une inspection de ladite structure allongée par une analyse locale de signaux issus des ondes élastiques émises, comprend une étape consistant à déterminer si des dispositifs électroniques voisins dudit dispositif électronique reçoivent ou non les ondes émises.

- le procédé comprend des étapes consistant à :

- envoyer un rapport d’analyse au serveur distant si ledit dispositif émetteur a reçu les ondes émises par les dispositifs électroniques voisins, et revenir dans le mode nominal ; ou

- envoyer un message d’alarme au serveur distant si ledit dispositif n’a pas reçu d’ondes émises par les dispositifs électroniques voisins, et basculer en mode expertise ou maintenir le mode détection.

- l’étape de transmettre des données de signaux issus d’ondes élastiques émises dans ladite structure allongée au serveur distant, consiste à envoyer les données via une communication GSM ou filaire.

- le procédé comprend de plus une étape consistant à basculer le dispositif électronique en mode nominal après l’envoi des données.

- le procédé comprend une étape consistant à basculer le dispositif électronique du mode nominal au mode détection ou au mode expertise sur requête du serveur distant ou selon une périodicité prédéfinie.

- le procédé comprend une étape consistant à basculer le dispositif électronique du mode nominal ou du mode détection ou du mode expertise en un mode d’autodiagnostic dans lequel ledit dispositif vérifie que l’intégralité des éléments qui le compose (circuits d’émission, de réception, de communication, la batterie) ainsi que les transducteurs qui lui sont reliés, sont fonctionnels.

- le procédé comprend une étape consistant à basculer en mode d’autodiagnostic sur requête du serveur distant.

[0025] L’invention couvre aussi un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code non transitoire permettant d’effectuer les étapes du procédé de l’invention, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.

[0026] L’invention couvre de plus un dispositif de gestion de ressources pour la surveillance de structure allongée pouvant faire office de guide d’ondes élastiques, qui comprend des moyens pour mettre en oeuvre les étapes du procédé.

[0027] Un objet de l’invention est aussi un système de surveillance de l’état de voies ferrées qui comprend une pluralité de dispositifs de gestion de ressources pour la surveillance de rails selon l’invention. [0028] Description des figures

[0029] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit et des figures des dessins annexés dans lesquels :

[0030] La [FIG. 1 ] illustre un contexte d’implémentation du dispositif de l’invention pour une application ferroviaire ;

[0031 ] La [FIG. 2] illustre un exemple de structure d’un nœud électronique selon l’invention ;

[0032] La [FIG. 3] illustre différents états d’un nœud selon un mode de réalisation;

[0033] La [FIG. 4] illustre plus en détail le mode nominal d’un nœud selon un mode de réalisation ;

[0034] La [FIG. 5] illustre un rail équipé de transducteurs pour mesurer des signaux au passage d’un train ;

[0035] La [FIG. 6] illustre des signaux mesurés par les transducteurs de la figure 5;

[0036] La [FIG. 7a] illustre un signal mesuré au niveau d’un transducteur proche d’une éclisse ;

[0037] La [FIG. 7b] est un zoom du signal de la figure 7a avant et après l’éclisse ;

[0038] La [FIG. 8a] illustre un signal mesuré au niveau d’un transducteur plus éloigné d’une éclisse ;

[0039] La [FIG. 8b] est un zoom du signal de la figure 8a avant et après l’éclisse ;

[0040] La [FIG. 9] illustre plus en détail le mode détection d’un nœud selon un mode de réalisation ;

[0041 ] La [FIG. 10] illustre plus en détail le mode expertise d’un nœud selon un mode de réalisation;

[0042] La [FIG. 1 1] illustre plus en détail le mode détection de secours pour un nœud défaillant selon un mode de réalisation ; et

[0043] La [FIG. 12] est un tableau récapitulatif des différents modes activables d’un nœud.

[0044] Description détaillée [0045] La figure 1 illustre un contexte d’implémentation du dispositif de l’invention pour une application ferroviaire. Cependant, cet exemple est non limitatif et l’homme du métier pourra adapter l’implémentation décrite à toute autre application mettant en oeuvre un guide d’ondes allongé et un dispositif mobile se déplaçant le long du guide d’onde. Dans l’exemple décrit, le guide d’ondes est un rail et le dispositif mobile est un train.

[0046] La figure 1 montre les rails 101 , 102 d’une voie ferrée 100 équipés de transducteurs d’ondes élastiques 1111 -1 , 1112-1 , 1111-2, 1112-2.

[0047] Le terme « équipés >> signifie que les transducteurs peuvent se trouver sur un ou plusieurs emplacements sélectionnés parmi : sous le champignon que ce soit sur l’âme interne du rail et/ou sur l’âme externe du rail, sous le rail. Dans l’exemple illustré, deux transducteurs (1111 -1 , 1111 -2) sont disposés respectivement sur un des deux rails 101 , 102 à proximité d’un premier nœud électronique 111 -1 , et deux transducteurs (1112-1 ,12112-2) sont disposés respectivement sur un des deux rails 101 , 102 à proximité d’un second nœud électronique 111 -2.

[0048] L’homme du métier comprend que l’exemple est pris pour décrire les principes de l’invention mais n’est pas limitatif quant au nombre de transducteurs, de nœuds pouvant être déployés et la distance entre les nœuds. Par exemple, des nœuds électroniques peuvent être installés tous les kilomètres le long d’une voie ferrée.

[0049] Bien que non décrit, des transducteurs peuvent aussi être disposés sur les rails d’une seconde voie ferrée pour la circulation de trains dans l’autre sens, ces transducteurs pouvant être couplés aux mêmes nœuds électroniques que la première voie ferrée.

[0050] Un transducteur est un dispositif convertissant un signal physique en un autre. Il existe une grande variété de transducteurs. Pour la génération et la réception d’ondes élastiques se transmettant dans un matériau (un rail, un tube, une structure, etc), l’utilisation d’un transducteur acoustique électromagnétique (en anglais « ElectroMagneto-Acoustic Transducer >>, acronyme EMAT) peut constituer une alternative à l’utilisation d’un transducteur piézoélectrique (acronyme PZT).

[0051] L’homme du métier comprend que l’expression « ondes élastiques >> utilisée dans la description désigne plus généralement des ondes ultrasonores (littéralement au-dessus de 20 kHz fréquence audible) élastiques (qui se propagent dans un milieu solide) guidées (la propagation n’est pas libre mais forcée par la géométrie du rail).

[0052] Chaque nœud électronique installé le long d’une voie ferrée est configuré, i.e. comprend au moins un module logiciel d’analyse d’ondes élastiques, pour analyser des signaux issus des transducteurs afin de déterminer l’existence de défaut dans les rails. Différents types d’ondes élastiques se propagent entre deux transducteurs 1111 -1 et 1112-1 . Chaque transducteur peut fonctionner à la fois comme émetteur et comme récepteur. Plusieurs signaux sont alors exploitables, ces signaux correspondants à : une onde transmise de l’émetteur au récepteur et inversement, ainsi qu’une onde réfléchie lorsqu’un émetteur fonctionne en pulse-écho (le même transducteur jouant le rôle d’émetteur et de récepteur). Ainsi, la présence et/ou l’absence d’onde transmise et/ou réfléchie renseigne sur la présence ou non de défaut localement.

[0053] Les nœuds électroniques sont configurés pour communiquer avec un serveur distant 110, des messages informant de la présence ou non de défaut dans la portion de rail considérée. Les résultats d’analyse peuvent être affichés sur une interface IHM 112 dans une forme directement exploitable par l’utilisateur, indiquant visuellement sur une carte de la voie par exemple la localisation du/des défaut(s), ou dans toute autre forme adaptée à l’application. Une alerte peut être envoyée aux conducteurs de trains et/ou à tout système de régulation du trafic, et/ou une commande de freinage peut être déclenchée en fonction du résultat de l’analyse.

[0054] La communication de messages entre les nœuds électroniques et le serveur distant peut être établie selon différents protocoles de communication courte ou longue portée, bas ou haut débit, pouvant mettre en œuvre différentes technologies filaires ou sans fil, comme les technologies 3G, 4G, 5G, Wifi, Ethernet, fibre optique, LoRa, Sigfox, etc.

[0055] La figure 2 illustre un exemple de structure d’un nœud électronique 111 dans un mode de réalisation permettant de mettre en œuvre le procédé de pilotage des ressources selon l’invention.

[0056] Généralement, un nœud 111 comprend : une source d’énergie 200 (e.g. alimentation électrique de type batterie, panneaux solaires, accès à une alimentation externe, etc.) ; un circuit électronique comprenant un circuit 210 de mesure d’ondes élastiques ; un circuit émetteur 212 d’émission d’ondes élastiques pour le mode actif (en mode passif, l’émetteur n’est pas utilisé car l’énergie du train est utilisée comme source d’ondes élastiques) ; des composants 214 de stockage ; un circuit de calcul 216 associé à des ressources de calcul et/ou de mémoire locales ou à distance, comprenant un module pour le pilotage des ressources et un module pour le traitement des signaux (FPGA, CPU ou autre pour le traitement des signaux reçus) ; un circuit 218 de communication sans fil ou filaire ; un récepteur GNSS (Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites) 220, par exemple de type GPS incluant une antenne 221 et l’électronique embarquée. Le circuit GNSS est avantageux pour repérer la position du nœud une fois disposé sur la voie, mais également pour dater les signaux précisément (une datation précise à quelques nanosecondes permet une synchronisation en post-traitement).

[0057] Un nœud 111 est couplé à au moins un transducteur (e.g. 1111 ) d’ondes élastiques guidées, qui est par exemple installé sur un rail à proximité du nœud.

[0058] La source d’énergie 200 peut être fournie par des systèmes dynamos ou capacitifs rechargés par le passage des trains sur la voie ferrée et/ou par un ou plusieurs panneaux photovoltaïques et/ou par un ou plusieurs mâts éoliens et/ou une ou plusieurs batteries et/ou une alimentation secteur, à titre d’exemples non limitatifs.

[0059] Le circuit de communication sans fil 218 comprend des ressources appropriées pour établir différents modes de communication : mode de communication longue portée faible débit (e.g. LoRa, Sigfox , ...) ; mode de communication courte portée haut débit (e.g. Wifi, Bluetooth, ...).

[0060] Dans un mode de réalisation, le circuit de communication sans fil 218 est configuré pour transmettre des messages de diagnostic de défaut selon le protocole de communication longue portée faible débit LoRa, ainsi que des composants appropriés et antenne associée pour recevoir selon le protocole courte portée haut débit WiFi des données de mise à jour logicielle.

[0061] Le circuit GNSS 220 peut être partagé entre plusieurs transducteurs. Un système de positionnement par satellites, dit GNSS (pour Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites), repose sur une constellation de satellites artificiels permettant de fournir à un utilisateur ou un circuit (par l’intermédiaire d'un récepteur portable) sa position, sa vitesse et l'heure. Dans un mode de réalisation, les circuits GNSS sont associés avec les transducteurs de manière à horodater précisément les signaux mesurés par les transducteurs, tout en garantissant une synchronisation inférieure à la microseconde entre deux noeuds distants de plusieurs kilomètres (la distance n’importe pas tant qu’il existe une couverture par GNSS sur les deux noeuds considérés). Dans certains modes de réalisation, les circuits d’horodatage et/ou les circuits de calcul et/ou les circuits GNSS peuvent être diversement distribués dans l’espace (e.g. existence de centres, système entièrement distribué, arrangement hiérarchique entre noeuds).

[0062] Le circuit de calcul 216 comprend un module de traitement du signal 216-1 qui permet à partir de signaux émanant des ondes élastiques reçus des noeuds voisins proches, de faire un diagnostic local via un logiciel d’analyse de défaut embarqué, concernant la présence ou non d’un défaut localement. Le logiciel d’analyse de défaut permet de déterminer ou détecter l’existence d’un ou de plusieurs défauts localement sur une longueur de rail incluant quelques transducteurs, à partir de mesures synchronisées des ondes élastiques se propageant dans le rail.

[0063] Un défaut local peut être déterminé - son existence, sa localisation, sa catégorie - par application de seuils prédéfinis, lesdits seuils prédéfinis étant déterminés par référence à un état réel, par exemple par rapport à un état du rail qui est connu comme sain ou par rapport à un état calibré dudit rail, ou par référence à un état simulé du rail.

[0064] Un défaut peut être caractérisé, notamment en matière de nature, de taille, d’orientation dans l’espace ou de géométrie, par une analyse d’amplitude et/ou de fréquence et/ou par une analyse de la forme du signal et/ou par une analyse du spectre fréquentiel des signaux de mesure et/ou de la fonction représentative de la réponse impulsionnelle du rail et/ou par l’identification d’un changement de mode de propagation d’au moins une des ondes se propageant dans le rail. Un défaut peut notamment être orienté horizontalement, ou verticalement. En fonction de l’analyse des signaux, la position et la taille peuvent être estimées. Par apprentissage ou par comparaison avec des abaques tirés de modèles mathématiques ou numériques, une caractérisation quantitative peut permettre de déterminer un type de défaut (corrosion, fissure, discontinuité, etc). [0065] La caractérisation d’un défaut peut se faire par diagnostic différencié entre le signal reçu se transmettant via le champignon du rail et celui se transmettant via l’âme du rail. Par exemple si le signal se transmet vers une extrémité du rail et pas de l’autre, il est possible de déterminer approximativement l’étendue du défaut ainsi que sa position dans la section du rail. Dans le cas où aucun signal n’est transmis, il est probable que la rupture du rail est quasi-complète. Pour pallier les incertitudes de diagnostic, avantageusement le dispositif de l’invention permet de remonter tous les diagnostics locaux vers un superviseur (module d’analyse d’un serveur éloigné) qui agrège l’ensemble des informations pour permettre un diagnostic global et une caractérisation précise de défaut.

[0066] Chaque nœud n’ayant qu’une information parcellaire sur le système global, le diagnostic local et simplifié réalisé par un nœud peut être transmis au serveur distant 110 où un logiciel de supervision permet d’agréger les données des nœuds afin d’améliorer le diagnostic, et émettre une décision finale. En effet, lorsqu’un nœud ne reçoit pas de signal, ce dernier considère qu’il y a une rupture de rail alors que cela peut provenir de la non- émission du signal par l’émetteur. Aussi, le serveur qui agrège les informations reçues des nœuds, va déterminer l’état dudit nœud émetteur. L’analyse faite au niveau du serveur distant permet ainsi de raffiner la détection de défaut et engendrer de meilleures décisions.

[0067] Le circuit de calcul 216 comprend de plus un module ou processeur de pilotage des ressources 216-2 qui est configuré, i.e. comprenant des instructions de code, pour gérer la configuration des ressources utilisées par le nœud électronique en se basant sur ses fonctionnalités multiples, afin d’exploiter au plus juste les ressources, notamment énergétiques. Avantageusement, le module de pilotage des ressources met en œuvre une stratégie optimisée d’utilisation du nœud qui permet de basculer le nœud d’un mode d’analyse à un autre selon le contexte. Le procédé de pilotage de ressources de l’invention a pour objectif de permettre l’inspection de rails sous une contrainte forte d’autonomie et d’économie d’énergie. Ainsi à tout moment, par une stratégie de surveillance dite « intelligente >>, le nœud est dans un état ou mode où l’utilisation des ressources est adaptée pour limiter la consommation énergétique.

[0068] Dans une implémentation préférentielle, le procédé de l’invention gère trois modes principaux pour un nœud, où chaque mode exploite un type différent d’inspection du rail, allant d’un mode d’inspection le moins poussé mais le plus économe à un mode d’inspection le plus poussé mais le plus consommateur.

[0069] Selon une variante de réalisation, le nœud peut être configuré pour avoir au moins un mode supplémentaire dit d’autodiagnostic.

[0070] La figure 3 illustre différents états 300 d’un nœud afin de limiter la consommation énergétique tout en permettant une surveillance optimale du rail.

[0071] Une activation initiale d’un nœud ou activation en continu correspondant à un état standard peut être un mode « nominal >> 302 ou un mode détection 304. Le mode nominal 302 permet une surveillance du rail en limitant fortement la consommation.

[0072] Lorsqu’une anomalie est détectée en mode nominal le nœud peut rester en mode nominal ou passer en mode « détection >> 304 qui est plus performant dans l’analyse afin de s’assurer de la présence ou non d’un défaut. Le mode détection 304 peut également être activé à la demande du serveur distant ou d’un nœud voisin ou selon une périodicité prédéfinie ou paramétrable. En cas de détection de défaut en mode détection, le nœud peut rester en mode détection ou passer en mode « expertise >> 306 qui va consister à provoquer, par la transmission du signal ultrasonore, une analyse plus poussée par le serveur distant ou par un expert afin de confirmer le cas échéant l’envoi d’une alerte. Alternativement, selon les caractéristiques du réseau, l’alerte peut toutefois être envoyée directement quand le nœud est en mode détection. Le mode expertise 306 peut également être activé à la demande du serveur distant ou selon une périodicité prédéfinie ou paramétrable.

[0073] Un nœud peut être activé dans un quatrième état ou mode

« d’autodiagnostic >> 308. Dans ce mode, le nœud vérifie que l’intégralité des éléments qui le compose (circuits d’émission, de réception, de communication, la batterie) ainsi que les transducteurs qui lui sont reliés, sont fonctionnels. Le mode d’autodiagnostic 308 peut être activé à la demande du serveur distant, en réponse à une requête d’un nœud ayant remonté un défaut, quel que soit le mode en cours (détection ou expertise). C’est le cas par exemple, si un nœud voisin d’un nœud émetteur n’a pas reçu un signal supposé être émis par ce dernier, alors il y a lieu de vérifier que cela n’est pas dû à la défaillance du nœud émetteur mais dû à un défaut du rail. Le serveur envoi alors une commande d’activation du mode d’autodiagnostic vers le nœud émetteur. Le mode d’autodiagnostic peut aussi être déclenché de manière périodique programmée.

[0074] La figure 4 illustre plus en détail le mode nominal 302. Lorsque le nœud se trouve dans ce mode, l’inspection du rail est réalisée sans émission d’ondes, et le nœud attend 400 le passage d’un train afin d’analyser les ultrasons générés par le passage du train. Par conséquent dans le mode nominal, la partie haute tension, le GPS ainsi que la communication GSM (3G/4G/5G) sont désactivés. Il s’agit du mode le moins consommateur d’énergie qui permet de limiter significativement l’utilisation des batteries (ou des piles).

[0075] Le mode nominal se base sur une analyse très simple de signaux mesurés au passage d’un train sur une voie équipée de transducteurs comme l’exemple de la figure 5. Un tel exemple de signaux S1 à S4 mesurés par les transducteurs C1 à C4, est présenté sur la figure 6 pour un train composé d’une locomotive et de 2 wagons, roulant à 45 km/h, venant de la gauche et croisant successivement les transducteurs C1 , C2, C3 et C4, situés par rapport à l’éclisse selon l’exemple respectivement à 53 mètres pour C1 , 93 mètres pour C2, 133 mètres pour C3, 273 mètres pour C4. Le graphique montre la progression du train passant d’un transducteur à un autre par les signaux S1 à S4, ainsi que différents pics correspondants aux passages des différents essieux sur les transducteurs C1 à C4. Globalement le signal croit lorsque le train s’approche d’un transducteur puis décroit une fois qu’il s’en éloigne. L’homme du métier pourra se reporter à la demande de brevet FR3084748 du Demandeur pour une description plus détaillée de l’analyse de tels signaux mesurés au passage d’un train.

[0076] La Figure 7a montre le signal S1 mesuré au niveau du transducteur C1 , et la figure 7b est un zoom sur le signal S1 avant et après l’éclisse. Le passage du train au-dessus de l’éclisse se traduit par l’émission d’ondes de fortes amplitudes. De telles ondes ne seraient pas émises lors du passage du train au-dessus d’un défaut réel, car l’écartement entre les 2 rails serait bien inférieur à celui de l’éclisse où il est de quelques millimètres. Par ailleurs, il est observable en regardant la zone entourée en noir sur la figure 7b qui correspond à une période où le train est avant l’éclisse, une modification du niveau de bruit moyen entre le moment où le train est avant l’éclisse et le moment où le train est entre l’éclisse et le transducteur C1 . [0077] Ces mêmes observations sont aussi faites à titre d’exemple sur les figures 8a et 8b pour le signal S3 issu du transducteur C3 situé à plus grande distance de l’éclisse.

[0078] Ces observations révèlent une rupture de continuité mécanique sur rail introduite par l’éclisse, qui stoppe drastiquement la propagation des ondes dans la tête du rail, même si les ondes continuent très probablement à se propager au travers de l’âme du rail via les attaches de l’éclisse. Ainsi, un écartement de quelques centaines de nanomètres suffit à stopper la propagation des ultrasons dans le cas d’un défaut réel.

[0079] Avantageusement, la détection d’une anomalie exploite ce phénomène, par la mesure du temps ‘Tel’ s’écoulant entre une augmentation soudaine du niveau bruit détecté et le passage du train au-dessus d’un transducteur. Sans anomalie, le temps Td qui est relié à une distance via la connaissance de la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans le rail, varie peu : soit Tdest égal au temps correspondant à la distance entre « la dernière éclisse rencontrée par le train avant le capteur >> et le capteur, soit Tdest égal au temps correspondant à « la distance maximale à laquelle le signal est détecté ». Cette distance dépend essentiellement de la sensibilité de la chaine de mesure et notamment du gain appliqué lors de l’acquisition du signal, car en pratique ce sont des signaux amplifiés qui sont analysés afin de détecter des défauts le plus loin possible.

[0080] Aussi, si le temps T diminue subitement et fortement par rapport au minimum absolu de Td mesuré jusqu’à l’apparition d’une diminution, cela peut-être le signe d’une rupture de continuité mécanique et donc d’une anomalie potentielle du rail.

[0081] L’homme de l’art notera que la vitesse de propagation moyenne des ondes, environ 3 km/s, est significativement supérieure aux vitesses de croisière maximales des trains. Aussi, une forte diminution de temps Td ne peut donc être due à un train passant plus rapidement que les précédents. Par ailleurs, si un train roule lentement voire s’arrête entre la détection et le passage au niveau du transducteur, alors le temps Tdva augmenter.

[0082] Revenant à la figure 4, selon les principes de l’invention, quand le mode nominal 302 est activé sur un nœud, le procédé permet de passer à une étape 402 d’analyse du temps T uniquement au passage d’un train. [0083] Si le temps Td mesuré reste constant par rapport au dernier minimum enregistré, signifiant qu’il n’y a pas d’anomalie détectée lors de ce passage de train, le procédé permet de maintenir 404 le nœud dans son mode nominal, et permet que le nœud envoie 406 à fréquence régulière un message au serveur distant indiquant qu’il est toujours fonctionnel. Dans un mode de réalisation, les messages sont formatés selon la structure de trames LoRa.

[0084] Dans un mode de réalisation, un nœud peut lancer un mode d’autodiagnostic et envoyer un rapport sur son état physique à échéance régulière. Dans une implémentation, les messages d’autodiagnostic sont formatés selon la structure de trames LoRa, et sont envoyés 1 fois / jour.

[0085] Revenant à l’étape 402, si le temps Td mesuré correspond à une baisse subite par rapport à la dernière valeur minimum enregistrée, signifiant qu’une anomalie est détectée 408, le procédé permet dans une étape suivante 410 de réveiller des nœuds voisins (n+1 , n-1 , voire n-2 et n+2), i.e. activer le mode détection sur les nœuds voisins, afin de pousser l’analyse. Selon des modes de réalisation, le nombre de nœuds voisins réveillés peut varier selon différents paramètres que sont la distance de propagation des ultrasons et la distance entre les nœuds. La communication entre le nœud courant et les nœuds voisins peut être réalisée par une communication LoRa point à point ou éventuellement en transitant via le serveur distant. Dans une étape suivante 412, le procédé active le mode détection du nœud.

[0086] Dans un mode de réalisation, le procédé permet 414 de maintenir le nœud courant en mode nominal même en cas de détection d’anomalie.

[0087] La figure 9 illustre plus en détail le mode détection 304 d’un nœud, permettant de détecter une rupture ou un défaut apparent sur le rail. L’activation 900 du mode détection d’un nœud peut être déclenchée à l’initialisation ou suite à la détection d’une anomalie pendant l’analyse des signaux au passage d’un train. Le mode détection peut aussi être déclenché de manière automatique à la demande du serveur, à une périodicité fixée par l’opérateur du réseau, ou suite à une demande ponctuelle via un ordre émis par le serveur.

[0088] La fréquence d’inspection en mode détection automatique peut être fixée en fonction de plusieurs paramètres : - Le coût énergétique d’une telle inspection par rapport à la quantité d’énergie disponible pour le système, notamment en cas d’alimentation autonome ;

- La fréquence de passage des trains : si les trains passent trop peu fréquemment alors le mode nominal pourrait ne pas détecter de défaut ;

- La volonté de renforcer la fiabilité de l’inspection du mode nominal, très basique, par exemple pour des contraintes de démonstration de performances.

[0089] Dans le mode détection, l’inspection du rail se fait de manière active, c’est-à- dire par émission d’onde ultrasonore. Le nœud génère une onde guidée le long du rail. Dans ce mode, le procédé permet (étape 902) d’activer le GPS afin de synchroniser les nœuds pour le contrôle, ainsi que la haute tension pour alimenter les amplificateurs assurant l’émission (i.e. le tir) de l’onde acoustique.

[0090] Dans une étape suivante 904, le procédé permet de faire l’analyse du tir. Le procédé permet de déterminer si les nœuds voisins qui ont été préalablement réveillés, reçoivent ou non l’onde émise.

[0091] En l’absence de rupture de rail, les nœuds voisins reçoivent l’onde émise, signifiant qu’il n’y a pas de défaut 906, et le procédé passe à une étape suivante 908 pour envoyer un rapport d’analyse au serveur distant signifiant que le dispositif émetteur a reçu les ondes émises par les dispositifs électroniques voisins, puis le procédé permet de basculer le nœud courant dans son état nominal 910.

[0092] Si les nœuds voisins ne reçoivent rien, cela peut potentiellement indiquer la présence d’une rupture ou d’un défaut critique 912. Le procédé permet dans une étape suivante 914 d’envoyer un message d’alarme au serveur distant si le dispositif émetteur n’a pas reçu d’ondes émises par les dispositifs électroniques voisins, puis permet 916 de basculer en mode expertise 306 ou de maintenir le mode détection 304.

[0093] La détection de défaut peut également se faire par le retour d’une onde vers le nœud émetteur (mode puise écho). Ce retour est caractéristique de la présence soit d’un défaut soit d’une rupture de rail (soit d’une ou plusieurs soudures connues et ignorées). [0094] Lorsqu’un défaut est détecté mais en dessous d’une dimension critique il peut être utile d’archiver le signal correspondant afin de mener des analyses plus poussées et de pouvoir surveiller son évolution au cours du temps.

[0095] La figure 10 illustre plus en détail le mode expertise 306 d’un nœud permettant de conduire une analyse plus poussée lors de la détection d’un défaut par une analyse ultra-sonore 904. L’activation 1000 du mode expertise d’un nœud peut aussi être déclenchée à la demande, pas nécessairement en cas de détection de défaut, par un ordre envoyé via le serveur distant à des nœuds sélectionnés par un expert. Cette fonctionnalité peut être utile par exemple pour garder une traçabilité des signaux mesurés au fur et à mesure de l’exploitation du réseau.

[0096] Dans ce mode l’inspection est faite de manière active à l’instar du mode détection. Le procédé permet d’activer 1002 la communication GSM (3G/4G/5G) sur le nœud, et de procéder à une émission d’ondes élastiques (tir ultrasonore) 1004.

[0097] Dans une étape suivante 1006, le signal ultrasonore enregistré par le nœud est envoyé au serveur via la communication GSM, puis le nœud retourne à un mode nominal dans une étape suivante 1008.

[0098] Une analyse complète des données transférées peut être réalisée par le serveur ou par un expert et non plus au sein du nœud. En cas d’analyse indiquant un défaut critique, une alerte peut être envoyée.

[0099] En cas de défaillance du circuit d’émission d’ondes, qui est le circuit le plus critique d’un nœud électronique car il nécessite une haute tension et des grosses quantités d’énergie, le nœud peut basculer dans un mode « détection de secours >> pour réaliser une détection par analyse de la réponse impulsionnelle. Dans ce cas, tel que décrit dans la demande FR3084748 du Demandeur, il n’y a pas d’émission d’ondes ultrasonores, la mesure est effectuée au passage d’un train. Ce mode détection de secours nécessite d’envoyer au serveur via l’activation de la communication GSM, les signaux de bruit mesurés au passage des trains par le nœud défaillant et ses plus proches voisins, ce qui est plus coûteux énergétiquement qu’une communication de type LoRa. L’avantage majeur offert par ce mode de détection de secours réside dans le fait de continuer à assurer une surveillance de la portion de rail autour du nœud défaillant pendant une période donnée, et il ne nécessite pas une maintenance immédiate du système voire une interruption du passage des trains si la fonction de détection de casse de rail est sécuritaire.

[0100] Dans le mode détection de secours, le serveur se charge de l’analyse des signaux de bruit, puis de la partie prise de décision sur les tronçons de part et d’autre du nœud dont le circuit d’émission est défaillant.

[0101 ] Avantageusement, cette alternative au mode actif peut permettre de prolonger la durée de vie du nœud en cas de défaillance du circuit d’émission d’ondes et ainsi diminuer les coûts de maintenance du système.

[0102] La figure 11 illustre le traitement d’un nœud défaillant. La bascule en mode de détection de secours des nœuds voisins N3 et N5 d’un nœud défaillant N4, peut être effectuée via un ordre envoyé en LoRa par le nœud défaillant N4 en point à point avec ses voisins N3 et N5, ou bien en transitant par le serveur. Les nœuds voisins dont le mode de secours est activé continuent néanmoins d’assurer leur mission de détection en mode détection actif standard pour faire l’interface avec les autres nœuds du réseau. Ainsi, si le nœud défaillant N4 détecte une anomalie en mode nominal, ses voisins basculent en mode détection de secours et attendent le passage d’un train (tout comme le nœud défaillant) pour faire leur analyse. Pour maintenir la compatibilité avec les autres nœuds du réseau (N2 et N6 notamment), les nœuds voisins N3 et N5 continuent toutefois leurs opérations prévues normalement par le mode de détection et saisissent l’opportunité du passage du prochain train pour faire l’analyse conjointe avec le nœud N4 en mode détection de secours.

[0103] Il faut noter que pour les nœuds voisins N3 et N5, le mode détection de secours est prioritaire sur le mode de détection standard en cas de passage d’un train. En effet, le bruit généré par le passage du train rend inutilisable l’analyse des signaux en actif. A la fin du passage du train les nœuds N3 et N5 finissent si nécessaire les séquences prévues en mode de détection puis rebasculent en mode nominal.

[0104] La [FIG. 12] est un tableau récapitulatif de la configuration de différentes fonctions selon le mode activé d’un nœud.

[0105] L’invention peut s’implémenter à partir d’éléments matériel et/ou logiciel. Elle peut être disponible en tant que produit programme d’ordinateur sur un support lisible par ordinateur. Le support peut être électronique, magnétique, optique ou électromagnétique. Les moyens ou ressources informatiques peuvent être centralisés et/ou être distribués ("Cloud computing"), éventuellement avec ou selon des technologies de pair-à-pair et/ou de virtualisation et/ou de redondance. Le code logiciel peut être exécuté sur n'importe quel processeur approprié (par exemple, un microprocesseur) ou cœur de processeur ou un ensemble de processeurs, qu'ils soient prévus dans un dispositif de calcul unique ou répartis entre plusieurs dispositifs de calcul. La mise en œuvre informatique de l’invention peut utiliser des systèmes centralisés (e.g. client-serveur ou maître-esclave) et/ou des systèmes distribués (e.g. architecture de type pair-à-pair utilisant des ressources informatiques accessibles, éventuellement de manière opportuniste e.g. réseaux ad hoc, etc.). Le système (ou ses variantes) implémentant une ou plusieurs des étapes du procédé peut utiliser un ou plusieurs circuits électroniques dédiés ou un circuit à usage général. Le procédé peut aussi être mis en œuvre sur une machine de calcul reprogrammable (un processeur ou un microcontrôleur, par exemple) exécutant un programme comprenant une séquence d'instructions, ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel). Un circuit dédié peut notamment améliorer les performances. La référence à un programme d'ordinateur qui, lorsqu'il est exécuté, effectue l'une quelconque des fonctions décrites précédemment, ne se limite pas à un programme d'application s'exécutant sur un ordinateur hôte unique. Au contraire, les termes programme d'ordinateur et logiciel sont utilisés ici dans un sens général pour faire référence à tout type de code informatique (par exemple un logiciel d'application, un micro logiciel, un microcode, APIs, web services, ou toute autre forme d'instruction d'ordinateur) qui peut être utilisé pour programmer un ou plusieurs processeurs pour mettre en œuvre des étapes du procédé.