Les réseaux de capteurs sans fil au service du futur réseau ferroviaire britannique

La nation qui a inventé la machine à vapeur est sur le point de se remettre sur les rails en termes de développement ferroviaire. Les technologies numériques pourraient contribuer à placer le Royaume-Uni à la pointe de l'innovation ferroviaire, alors que le pays se prépare à réaliser l'un de ses plus gros investissements en infrastructures de ces dernières années. Outre les dépenses d'entretien, de renouvellement et d'amélioration prévues pour les périodes de contrôle actuelles et futures de Network Rail, auxquelles s'ajoutent les investissements en cours dans les projets Crossrail 1 et 2, la prochaine décennie verra l'argent affluer dans la Northern Powerhouse, qui relie les villes du nord.

Mais le joyau de la couronne ferroviaire est la High Speed 2 (HS2), qui devrait devenir le plus grand projet d'infrastructure du Royaume-Uni en réduisant les temps de trajet entre Londres, Birmingham, Manchester, les East Midlands et Leeds. Dans son aperçu de l'infrastructure ferroviaire britannique de mars 2019, le cabinet comptable BDO a estimé que ces projets ajouteraient jusqu'à 200 milliards de livres d'investissement au cours de la prochaine décennie, soit plus du double des 80 milliards de livres dépensés au cours des dix dernières années. 

Naturellement, c'était avant que le COVID-19 ne vienne assombrir les perspectives de l'économie britannique. Mais certains signes indiquent que l'administration britannique va tout de même aller de l'avant avec le plus grand nombre possible de son programme de modernisation ferroviaire. Le mois de septembre, par exemple, a vu le début très médiatisé des travaux de construction du HS2, un projet qui, selon le gouvernement, créera 22 000 emplois. Avec des finances publiques mises à mal par le COVID-19 et le Brexit, il sera plus important que jamais que ces projets soient réalisés dans les délais et les budgets impartis. 

Éviter les défaillances et les accidents

Et c'est là que la technologie numérique pourrait jouer un rôle important. L'un des plus grands défis de tout grand projet d'infrastructure est de veiller à ce que les défaillances et les accidents ne viennent pas perturber le déroulement des travaux. Sur les voies ferrées, qui peuvent s'étendre sur des centaines de kilomètres, la connaissance de l'état du sol sous la voie est d'une importance capitale à cet égard. Les mouvements et glissements de terrain peuvent littéralement faire dérailler un projet, entraînant des retards et des coûts importants. 

Pour y remédier, les gestionnaires de projet font appel à l'ingénierie géotechnique, qui combine la mécanique des sols et des roches pour fournir une image des conditions et des matériaux du sous-sol. L'importance de cette discipline dans les projets ferroviaires ne doit pas être sous-estimée. Selon cette étude, par exemple "La compréhension du sol et des risques géotechniques spécifiques qu'il présente a été essentielle à la réussite de Crossrail, le projet de 14 à 8 milliards de livres sterling pour la construction de la ligne ferroviaire est-ouest Elizabeth à travers Londres, au Royaume-Uni".

Les risques géotechniques sont assez faciles à maîtriser si le développeur du projet dispose de données suffisantes et opportunes sur les conditions du sol. Mais l'acquisition de ces données est difficile pour plusieurs raisons :

• Le matériel et le logiciel des capteurs doivent pouvoir couvrir de longues distances de voies et de fortes densités de capteurs dans les stations, les tunnels et les zones critiques. 
• La surveillance ne peut pas être affectée par des conditions environnementales changeantes telles que la croissance de la végétation ou les constructions à proximité. 
• Les systèmes de capteurs doivent pouvoir fonctionner dans des endroits parfois difficiles d'accès et soumis à un niveau élevé de vibrations. 
• Il ne suffit pas de surveiller une seule variable ; la sécurité des voies dépend d'une série de paramètres.
• Dans certaines régions, les systèmes de surveillance peuvent ne pas avoir accès à des sources d'alimentation externes. 
• La maintenance peut être coûteuse et l'accès aux sites n'est pas toujours facile, il faut donc la réduire au minimum.  

Suivi d'un large éventail de mesures

En règle générale, les systèmes de capteurs ferroviaires détectent les mouvements du sol pour garantir la stabilité et la géométrie des voies, repérer les dysfonctionnements du sous-sol et vérifier l'absence de risques dans les structures environnantes, telles que les remblais, les murs de soutènement et les tunnels. Mais les réseaux de capteurs peuvent également être adaptés pour suivre toute une série d'autres mesures, comme la température et l'humidité. Et une nouvelle génération de technologies de réseaux de capteurs ajoute d'autres avantages à l'ensemble.

Les dispositifs et systèmes de réseau à longue portée(LoRa) peuvent être intégrés à un large éventail de protocoles et de technologies de capteurs et sont fournis avec un logiciel de gestion facile à utiliser. L'interface utilisateur permet aux ingénieurs de configurer, de surveiller et de suivre plusieurs dispositifs à la fois. Les systèmes sont sans fil et fiables, avec des dispositifs qui ont été certifiés par National Rail et sont de conception robuste avec des antennes internes. La sécurité des données s'étend du dispositif jusqu'au niveau du nuage. 

Ils peuvent également durer jusqu'à 10 ans sur le terrain sur une seule batterie, ou être alimentés par des kits éoliens ou solaires. Des options de gestion de la connectivité en périphérie et en nuage sont également disponibles en fonction de la proximité souhaitée avec le stockage des données. Cette simplicité, cette évolutivité et cette fiabilité font de LoRa la technologie de choix pour les prestataires de services d'ingénierie, et peuvent permettre de réaliser des économies importantes par rapport à la surveillance manuelle ou aux systèmes à base de câbles.

Les sociétés d'ingénierie prennent conscience de ces avantages et remportent de plus en plus souvent des appels d'offres basés sur les capacités des systèmes LoRa de bout en bout. Et la valeur des réseaux de capteurs LoRa ne s'arrête pas à la mise en service de la ligne ferroviaire. Les problèmes qui peuvent affecter les projets de construction, tels que les chutes de pierres ou le manque d'alignement vertical des voies, sont peut-être encore plus graves lorsqu'ils se produisent sur des chemins de fer opérationnels.

Améliorer la sécurité des passagers

Ce fait a été tragiquement rappelé en août 2020 lorsqu'un train a déraillé dans l'Aberdeenshire après avoir heurté un glissement de terrain provoqué par de fortes pluies. Trois personnes ont été tuées dans l'accident. La bonne nouvelle est que si les réseaux LoRa sont installés le long des voies pendant la construction de nouvelles voies ferrées telles que HS2, ils peuvent constituer la base de systèmes d'alerte précoce susceptibles d'améliorer la sécurité des passagers après la mise en service des services ferroviaires. 

À l'avenir, par exemple, ces systèmes pourraient être en mesure d'alerter les conducteurs de train des changements dans l'état des rails qui pourraient indiquer la présence d'un danger sur la voie. Ils pourraient également aider les équipes de maintenance à localiser les zones de la voie qui risquent de se rompre, de sorte que la maintenance préventive puisse être effectuée bien avant un incident. 

En plus d'améliorer la sécurité des passagers, ces systèmes pourraient également améliorer considérablement l'efficacité des chemins de fer tout en réduisant les coûts. La surveillance de l'état et des défaillances à l'aide de capteurs, par exemple, pourrait permettre aux équipes d'ingénieurs de se concentrer uniquement sur les sections de voie qui ont vraiment besoin d'attention, sans avoir à réduire les services pour une maintenance de routine qui pourrait ne pas être nécessaire.

Adaptation d'une large gamme de capteurs

Les systèmes de surveillance de l'état des voies peuvent collecter des données sur les voies toutes les 30 minutes environ et fournir une alerte rapide en cas de problèmes physiques tels que des débris sur les voies ou des problèmes d'interférence tels qu'une antenne cassée sur un appareil. Les systèmes de capteurs peuvent mesurer l'inclinaison (la différence d'élévation entre les rails intérieurs et extérieurs) et la torsion (le gradient d'inclinaison sur une longueur de voie ferrée) sur la voie, ce qui peut indiquer des instabilités dangereuses, des éboulements, des fissures, des tassements ou des variations de pression d'eau interstitielle. 

Les plateformes de réseau LoRa, telles que le système de surveillance sans fil de Worldsensing, sont parfaitement placées pour fournir de tels services, car elles peuvent accueillir une gamme croissante de types de capteurs et de technologies. En outre, LoRa est une norme industrielle établie qui devrait perdurer à l'avenir. 

À l'échelle mondiale, la plateforme Worldsensing a déjà été utilisée dans le cadre de grands projets tels que le tunnel de Hieflau en Autriche, la ligne de métro U5 en Allemagne, le chemin de fer de Roslagsbanan en Suède, la Purple Line Rail Link aux États-Unis et l'Auckland City Rail Link en Nouvelle-Zélande. Au Royaume-Uni, il a contribué à améliorer la sécurité dans le cadre de projets tels que HS1 et Crossrail. Il a également été certifié pour le projet HS2. Il ne reste plus qu'à installer les capteurs dans le sol.