Titre de l'invention : SYSTEME ET PROCEDE POUR LA DETECTION DE DEFAUTS DANS DES STRUCTURES ALLONGEES

[0001] Domaine de l'invention

[0002] L'invention concerne le domaine de la surveillance de la santé de structures (« Structural Health Monitoring » ou SHM selon l'anglicisme consacré), en particulier la surveillance par contrôle non destructif de la santé de structures allongées, comme des rails ferroviaires.

[0003] Etat de la Technique

[0004] Dans le secteur ferroviaire, le rail est un élément critique 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, ce qui peut engendrer des défauts (e.g. casse et amorce de rupture) et parfois entrainer des casses franches.

[0005] Aussi pour des raisons de sécurité, il est impératif que l'état des voies ferroviaires soit surveillé très régulièrement pour limiter, le cas échéant en cas de détection de casse, la circulation des trains et ainsi diminuer voire supprimer les risques de déraillement de trains.

[0006] Plusieurs approches sont connues et mises en œuvre pour surveiller l'intégrité des rails. En particulier, une solution est basée sur l'analyse d'ondes élastiques (ou ultrasonores) guidées.

[0007] L'utilisation d'ondes ultrasonores guidées comme moyen de communication entre deux points d'une même structure est proposée dans l'article de J. Moll et al. « Complex Intelligent Structures with Data Communication Capabilities », 9 ^th European Workshop on Structural Health Monitoring, July 10-13, 2018, Manchester, United Kingdom, pour différentes structures, comme un segment de pale d'hélicoptère, un joint en acier, un bloc en béton ou encore une structure en sandwich. Cet article limite l'application des ondes ultrasonores guidées à des structures où la communication entre un émetteur et un récepteur se fait sur de très courtes distances. Les expériences proposées sont faites sur des reproductions à très faible échelle des structures étudiées. Le domaine du ferroviaire n'est pas étudié, ni suggéré. En effet, dans ce domaine, les structures à étudier s'étendent sur de longues distances, et il est bien connu qu'un tel milieu est un milieu dispersif pour les ondes ultrasonores guidées, ce qui n'encourage pas, voire réfrène leur utilisation pour faire du contrôle de santé des rails.

[0008] Cependant, la Demanderesse dans différentes demandes de brevet liées au contrôle de santé de voies ferroviaires, a proposé une approche qui consiste à disposer le long du (ou des) rail (typiquement à des points espacés de l'ordre du km), des transducteurs ultrasonores qui émettent des ondes élastiques guidées, qui en se propageant sur ces longues distances interagissent avec les défauts. Les procédés proposés d'analyse des signaux alors diffractés permettent de détecter, voire localiser des endommagements. Une absence de signal transmis est aussi le signe d'une potentielle rupture de rail.

[0009] Cette approche qui est par exemple décrite dans les demandes de brevet de la Demanderesse, FR3084748 ou FR3105148, est globalement satisfaisante. Cependant, elle présente des limitations, car elle n'est bien adaptée que pour la surveillance de voies qui sont peu fréquentées, c'est-à-dire là où il existe des créneaux temporels durant lesquels il n'y a pas de passage de train entre les capteurs considérés pour les analyses. Or, lorsque la circulation des trains est dense, ce qui est le cas des voies urbaines de type métro ou RER où il y a pratiquement toujours un train sur une section considérée entre 2 transducteurs, cette approche souffre de problèmes de fiabilité.

[0010] En effet, la présence de train entre deux capteurs ajoute un bruit important qui est relevé par les transducteurs. Les frottements engendrés par le contact roue-rail crée des vibrations parasites du rail qui perturbent la mesure par les transducteurs. Le signal ultrasonore transmis entre 2 transducteurs par le système peut ainsi être masqué, noyé au sein d'un signal bruité.

[0011] De nombreuses fausses alarmes liées aux passages des trains peuvent être envoyées au système d'analyse, et sont susceptibles de perturber le bon fonctionnement du système car elles peuvent pousser à interrompre la circulation pour rien. De telles fausses alarmes pour suspicion de rail cassé alors que le rail est sain, sont pénalisantes tant pour l'exploitation de la voie ferrée que pour l'image de la technologie proposée. [0012] Il existe alors un besoin industriel pour des procédés et des dispositifs fiables pour la détection de défauts (usure, amorces de casse, casses franches) dans des rails, dans un environnement de circulation dense de trains.

[0013] La présente invention répond à ce besoin.

[0014] Résumé de l'invention

[0015] Un objet de la présente invention est un procédé (et un dispositif associé) qui est mis en œuvre pour inspecter l'état de santé de rails ferroviaires même lorsque la circulation sur ces rails est dense.

[0016] Avantageusement, le système de la présente invention reste performant pour détecter des casses de rails même en cas de circulation dense de trains sur une voie.

[0017] La solution proposée permet d'améliorer la robustesse d'un diagnostic de défauts de rail en présence de trains circulant sur une voie.

[0018] Avantageusement, l'invention qui ne nécessite pas d'attendre qu'il s'offre une fenêtre temporelle sans passage de train pour inspecter une section de voie, peut être déployée sur des zones à forte circulation de trains, et ainsi permet d'augmenter la surveillance des voies très fréquentées.

[0019] Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé pour la détection de défauts dans une structure allongée agissant comme guide d'ondes ultrasonores, ladite structure allongée étant instrumentée d'une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d'ondes ultrasonores guidées se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique installé le long de ladite structure, ce dispositif électronique étant configuré pour traiter des signaux de mesure reçus d'au moins un transducteur, l'ensemble des dispositifs électroniques étant synchronisés sur une même horloge. Le procédé est mis en œuvre par ordinateur et comprend les étapes consistant à:

- (602, 604) réaliser entre un transducteur émetteur et un transducteur récepteur, au moins une opération d'émission et réception d'une onde ultrasonore guidée dans la structure allongée, ladite onde ultrasonore guidée correspondant à un signal modulé où le signal est un signal Y(-t) obtenu par retournement temporel d'un signal de calibration Y(t) acquis entre le transducteur récepteur et le transducteur émetteur, et où la modulation est un code initial de modulation prédéfini composé d'une séquence de bits à 0 et à 1 ;

- (608) effectuer une corrélation mathématique entre le code initial de modulation prédéfini et le signal 's' reçu par le transducteur récepteur, ou entre le code initial de modulation prédéfini et le signal moyenné 's ^m ' des signaux reçus par le transducteur récepteur ;

- (610) comparer le résultat de la corrélation à un seuil prédéfini ; et

- (612) selon le résultat de la comparaison, déterminer s'il y a ou non un défaut dans la structure allongée entre le transducteur émetteur et le transducteur récepteur.

[0020] L'invention peut être mise en œuvre selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés.

[0021] Dans un mode de réalisation, le procédé comprend avant l'étape d'émission et réception, une étape préliminaire de calibration de chacun des dispositifs électroniques associés au transducteur émetteur et au transducteur récepteur, la calibration consistant à émettre depuis ledit transducteur récepteur un signal et à recevoir un signal de calibration Y(t) par ledit transducteur émetteur.

[0022] Dans un mode de réalisation, le procédé comprend avant l'étape d'émission et réception, une étape préliminaire de calibration de chacun des dispositifs électroniques associés au transducteur émetteur et au transducteur récepteur, la calibration consistant à émettre depuis ledit transducteur émetteur un signal et à recevoir un signal de calibration Y(t) par ledit transducteur récepteur, puis à communiquer le signal de calibration Y(t) au transducteur émetteur pour le stocker avant retournement temporel.

[0023] Dans un mode de réalisation, l'étape préliminaire comprend de plus une étape consistant à définir un code initial de modulation du signal de calibration, composé d'une séquence de bits à -1 et à 1 .

[0024] Dans un mode de réalisation, le code initial de modulation comprend de plus une séquence de bits de correction d'erreur choisi soit comme un seul bit de parité, soit comme un code plus complexe, de type code de Hamming ou code de Golay.

[0025] Dans un mode de réalisation, le procédé comprend avant l'étape de corrélation, une étape de nettoyage du signal 's' ou du signal moyenné 's ^m ', reçu par le transducteur récepteur, ladite étape de nettoyage comprenant une étape consistant à lisser le signal 's' ou le signal moyenné 's ^m ' à l'aide d'un filtre passe-bas pour supprimer des perturbations transitoires hautes-fréquences parasites très énergétiques.

[0026] Dans un mode de réalisation, l'étape de lissage du signal 's' ou du signal moyenné 's ^m ' reçu, définit un signal lissé sur une moyenne mobile selon respectivement l'équation suivante : et où t _j sont les échantillons temporels du signal reçu 's' ou 's ^m ', et 'N' est le nombre d'échantillons sur lesquels est effectuée la moyenne mobile.

[0027] Dans un mode de réalisation, le procédé comprend de plus une étape consistant à mettre à zéro les échantillons du signal reçu 's' ou 's ^m ' ou du signal lissé, dont l'amplitude en valeur absolue est inférieure à un seuil donné.

[0028] Dans un mode de réalisation, l'étape de corrélation est réalisée selon l'équation suivante : où C _i est le code constitué des N _bits bits envoyés aux instants t _i , et est le signal reçu au transducteur récepteur 's', éventuellement moyenné 's ^m ' et/ou nettoyé

[0029] Dans un mode de réalisation, l'étape de corrélation est remplacée par une étape de détection des pics du signal obtenu après nettoyage.

[0030] Dans un mode de réalisation, l'étape de détection des pics du signal obtenu après nettoyage se fait avec une opération de seuillage.

[0031] Dans un mode de réalisation, l'étape de détection des pics du signal obtenu après nettoyage se fait avec une procédure de traitement du signal telle qu'une transformée temps-fréquence ou par reconnaissance de motifs.

[0032] Dans un mode de réalisation, l'étape de détermination de défaut comprend une étape de générer une alerte si le résultat de la comparaison est une valeur inférieure à un seuil prédéfini. [0033] L'invention concerne aussi un système pour la détection de défaut dans une structure allongée agissant comme guide d'ondes ultrasonores, ladite structure allongée étant instrumentée d'une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d'ondes ultrasonores guidées se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique installé le long de ladite structure, un dispositif électronique étant configuré pour traiter des signaux de mesure reçus d'au moins un transducteur, l'ensemble des dispositifs électroniques étant synchronisés sur une même horloge, le système comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé de l'invention.

[0034] Une utilisation particulière du système et du procédé de l'invention est pour des rails ferroviaires.

[0035] L'invention concerne aussi un produit programme d'ordinateur qui comprend des instructions de code permettant d'effectuer les étapes du procédé de l'invention, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.

[0036] Description des figures

[0037] 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 :

[0038] La figure 1 illustre un contexte d'implémentation du dispositif de l'invention;

[0039] La figure 2 illustre les différents types d'ondes se propageant entre deux capteurs ;

[0040] La figure 3 illustre un exemple de la structure d'un nœud électronique permettant de mettre en œuvre le procédé de l'invention ;

[0041 ] La figure 4 illustre des signaux mesurés au niveau de quatre transducteurs lors du passage d'un train ;

[0042] La figure 5a et la figure 5b illustrent un mode de réalisation d'un procédé pour la détection de défauts dans une structure allongée, basé sur une approche de modulation / démodulation d'une communication par ondes élastiques guidées entre deux points ;

[0043] La figure 6a et la figure 6b illustrent un mode de réalisation du procédé de l'invention. [0044] Description détaillée

[0045] La figure 1 illustre un contexte d'implémentation du dispositif de l'invention sur des rails de voie ferrée. Cependant, cet exemple est non limitatif et l'homme du métier pourra adapter l'implémentation décrite à toute autre application mettant en œuvre 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. Cependant, une situation analogue pourrait être celle du monitoring de câbles de téléphériques par exemple, le guide d'ondes étant le câble et le dispositif mobile la cabine de téléphérique.

[0046] La figure 1 montre les rails 101 , 102 d'une voie ferrée 100, qui sont équipés d'une pluralité de transducteurs d'ondes élastiques guidées (1111-1 , 1112-1 , 1111-2, 1112-2, ... ).

[0047] Le terme « équipés » signifie que les transducteurs peuvent se trouver sur un ou plusieurs emplacements d'un rail, comme par exemple sous le champignon, sur l'âme interne du rail, sur l'âme externe du rail, sous le rail. Dans l'exemple illustré, deux transducteurs (1111-1 , 1111-2) sont disposés respectivement chacun 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 chacun 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 ou plus ou moins, le long d'une voie ferrée.

[0049] Bien que non décrits mais représentés, 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 (111-1 , 111-2) que la première voie ferrée.

[0050] Un transducteur est un dispositif convertissant un signal physique en un autre, et 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), un transducteur acoustique électromagnétique (en anglais « ElectroMagneto- Acoustic Transducer », acronyme EMAT) peut être utilisé, ou un transducteur piézoélectrique (PZT) ou un transducteur magnétostrictif.

[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 de 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 pour analyser les signaux issus des transducteurs afin de déterminer l'existence de défaut dans les rails, et pour communiquer à un serveur distant 110, des messages informant de la présence ou non de défaut dans une portion de rail analysée. Les résultats d'analyse peuvent être affichés sur une interface homme-machine (IHM) 112 d'un poste de commande, dans une forme directement exploitable par un utilisateur, par exemple en indiquant visuellement sur une carte de la voie ferrée la localisation du/des défaut(s). Une alerte peut ainsi 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.

[0053] 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.

[0054] Différents types d'ondes élastiques se propagent entre deux transducteurs comme décrit en référence à la figure 2. Chaque transducteur peut fonctionner à la fois comme émetteur et comme récepteur. Plusieurs signaux sont alors exploitables, et correspondent à : une onde (211 , 213) transmise de l'émetteur 1111-1 au récepteur 1112-1 (et inversement), ainsi qu'une onde réfléchie 212 par le défaut lorsque l'émetteur 1111-1 fonctionne en pulse-écho (le même transducteur joue le rôle d'émetteur et de récepteur).

[0055] L'analyse de la présence ou de l'absence d'onde transmise et/ou réfléchie renseigne sur la présence ou non d'un défaut localement. [0056] L'absence d'onde transmise renseigne sur une rupture complète (ou tout du moins très sévère) du rail entre deux transducteurs, mais ne renseigne pas sur une localisation de la rupture. Le temps de parcours de l'onde réfléchie permet une localisation précise de la casse, le diagnostic étant éventuellement renforcé par l'analyse d'une onde réfléchie émise par un transducteur situé sur l'autre rail.

[0057] En cas de défaut moins sévère qu'une rupture complète du rail (fissure par exemple), l'onde transmise 213 permet de détecter et éventuellement de localiser un défaut 200 voire de le caractériser (estimer sa sévérité), mais cela nécessite de connaître précisément le temps de parcours de l'onde. Vues les vitesses de propagation mises en jeu (typiquement 3000 m/s), le récepteur d'un nœud a besoin de connaître précisément le top d'émission afin de calculer la fenêtre d'observation du signal et mesurer le temps de parcours. Aussi, la synchronisation entre un émetteur et un récepteur du dispositif de l'invention est nécessairement très précise, généralement inférieure à la microseconde.

[0058] Dans un mode de réalisation avantageux, la synchronisation est réalisée par un système de positionnement par satellites, dit GNSS (pour Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites). Un système GNSS repose sur une constellation de satellites artificiels permettant de fournir à un utilisateur ou à un circuit (par l'intermédiaire d'un récepteur portable) sa position, sa vitesse et l'heure.

[0059] La figure 3 illustre un exemple de la structure d'un nœud électronique permettant de mettre en œuvre le procédé de l'invention.

[0060] Généralement, un nœud 111 comprend : une source d'énergie 300 (e.g. une alimentation électrique de type batterie, des panneaux solaires, un accès à une alimentation externe, etc.) ; un circuit électronique comprenant un circuit 310 de mesure d'ondes élastiques ; un circuit 312 d'émission d'ondes élastiques ; des composants 314 de stockage ; un circuit 316 de traitement du signal (qui peut être un FPGA, un CPU ou tout autre circuit adapté pour le traitement des signaux reçus) ; un circuit 318 de communication (filaire ou sans fil (e.g. LoRa) couplé à une antenne 319 appropriée pour envoyer des messages selon un protocole de communication à faible consommation énergétique); un récepteur GNSS 320, par exemple de type GPS incluant un circuit d'antennes 321 et de l'électronique embarquée. [0061 ] Un nœud est couplé à au moins un transducteur d'ondes élastiques guidées (e.g. 1111 -1 ), qui est installé sur un rail à proximité du nœud.

[0062] La source d'énergie 300 peut être fournie par des systèmes dynamos 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.

[0063] Le circuit GNSS 320 peut être partagé entre plusieurs nœuds. 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 nœuds distants de plusieurs kilomètres.

[0064] 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 nœuds).

[0065] En pratique, pour la synchronisation entre deux nœuds, chaque nœud connaît a priori (ou le serveur lui envoie) l'état (état émetteur ou état récepteur) dans lequel il devra se trouver à une date très précise (à la microseconde près). Lorsqu'arrive cette date, le nœud se configure automatiquement dans l'état défini (c'est-à-dire pour émettre ou recevoir les ondes). A la date donnée (par exemple 14h 00min 00s 000ms OOOps), un nœud devant émettre procède alors à l'émission du signal puis bascule en mode réception pour mesurer le signal réfléchi en pulse-écho. Au même instant, mais décalé d'un offset lié à la distance entre les deux nœuds et à la vitesse de propagation de l'onde, le nœud récepteur active son circuit de réception.

[0066] L'offset est typiquement de l'ordre de 300 ms (pour 2 nœuds écartés de 1 km avec une vitesse de propagation de 3000 m/s). C'est-à-dire que le nœud récepteur commence à écouter à 14h 00min 00s 300ms OOOps, pour une durée typiquement de 100 ms. Ainsi, chaque échantillon du signal est précisément horodaté, i.e. il lui est associé un temps absolu précis à moins d'une microseconde, grâce à l'horodatage GNSS.

[0067] Ainsi, la structure d'un nœud du système de l'invention, telle que décrite en référence à la figure 3, permet de garantir une synchronisation entre deux nœuds distants de plusieurs kilomètres, la distance pouvant être supérieure tant qu'il existe une couverture GPS pour les deux nœuds.

[0068] Le circuit de traitement des signaux 316 qui est embarqué dans chaque nœud permet à partir des signaux émanant des ondes élastiques et reçus des nœuds voisins proches, de faire un diagnostic local, concernant la présence ou non d'un défaut localement. Le circuit de diagnostic local 316 permet de détecter l'existence d'un ou de plusieurs défauts locaux sur une longueur de rail incluant quelques transducteurs, à partir de mesures synchronisées des ondes élastiques se propageant dans le rail, même en présence du passage de trains. Le circuit de traitement du signal 316 implémenté sur chaque nœud comprend des moyens logiciels pour mettre en œuvre le procédé d'analyse de l'invention.

[0069] Le critère qui vérifie la bonne santé d'un rail, lors de l'analyse des signaux ultrasonores, est lié à la détection d'un pic d'amplitude supérieure à une valeur donnée, valeur qui est fixée par le niveau de bruit mesuré par les transducteurs.

[0070] Toutefois la présence d'un train circulant sur la voie crée des signaux parasites qui masquent le signal ultrasonore qui doit être analysé. La figure 4 est un relevé de plusieurs signaux S1 , S2, S3, S4, mesurés au niveau de 4 transducteurs C1 , C2, C3, C4, au passage d'un train circulant à 45 km/h. Les transducteurs sont ici espacés respectivement de 40 m (C1-C2), 37 m (C2-C3) et 140 m (C3-C4). On voit sur la figure par les passages successifs sur les différents transducteurs, que lorsque le train s'approche des transducteurs les vibrations générées sont très énergétiques, de nature à masquer le pic transmis par le système.

[0071] Les solutions qui ont été jusque-là retenues sont d'émettre des ondes, uniquement lorsqu'il n'y a pas de train en circulation sur une portion de rail à analyser, afin de ne pas brouiller les signaux des ondes par le signal parasite du passage du train. Comme indiqué, cette approche est efficace et peut être mise en œuvre lorsque la circulation des trains est limitée, par exemple sur les grandes lignes type TGV, mais elle n'est plus du tout appropriée en cas de circulation dense de trains.

[0072] Aussi, le procédé proposé par la présente invention permet d'effectuer des analyses même en présence d'un signal reçu qui est bruité, notamment par le passage répété de trains. [0073] La figure 5a et la figure 5b illustrent un mode de réalisation de procédé de détection de défauts appliquée à un rail de voie ferrée basé sur une approche de modulation / démodulation pour la communication par ondes élastiques guidées entre deux points telle que celle décrite dans l'article précité de Moll et al..

[0074] Le procédé est appliqué entre un nœud émetteur associé à un transducteur localisé à un point P1 sur un rail et un nœud récepteur associé à un transducteur localisé à un point P2 sur le rail.

[0075] Les points P1 et P2 ne sont pas proches et peuvent être séparés d'au moins un kilomètre ou plus, la distance entre les deux points étant uniquement limitée par une couverture GPS pour garantir la synchronisation et l'atténuation des ondes au fur et à mesure de leur propagation dans le rail.

[0076] Le procédé 500 débute par une phase préliminaire 501 effectuée avant tout passage d'un train, qui comprend une étape de calibration des nœuds électroniques auxquels sont associés les points P1 , P2. La calibration consiste à émettre depuis un nœud émetteur via le point P1 associé, un signal et à considérer comment est le signal qui est reçu au niveau du nœud récepteur associé au point éloigné P2, i.e. quelles sont les déformations subies par le signal dans le rail.

[0077] Le signal qui est envoyé pour la calibration est un signal en rafale (« burst » en anglais).

[0078] Le signal reçu donne ainsi le signal de référence pour les prochaines étapes de l'analyse, et il est stocké dans une mémoire du nœud récepteur (par exemple la mémoire 314).

[0079] La phase préliminaire 501 comprend aussi une étape de sélection d'un code initial qui va correspondre au signal à émettre depuis le nœud émetteur, pour générer une séquence codée qui va déclencher une onde ultrasonore guidée dans le rail depuis le point P1 vers le point P2. Dans l'exemple, le code qui est choisi est composé d'une suite de '0' et de '1'.

[0080] Le procédé est initié lors de l'émission 502 d'une onde ultrasonore guidée dans le rail, l'onde guidée correspondant à un signal modulé par le code prédéfini (i.e. une séquence codée) émis par le transducteur émetteur positionné à proximité du premier point P1 . [0081] Le déclenchement de l'envoi d'ondes ultrasonores guidées dans le rail est fait sans se préoccuper du passage des trains.

[0082] Le signal codé est reçu 504 par le transducteur du point P2. La figure 5b illustre de manière schématique, comment une séquence codée avec un code '11100110' émise au point P1 est reçue au point P2. Le signal codé reçu est stocké en mémoire du nœud récepteur associé au point P2 pour en faire l'analyse.

[0083] Dans une étape suivante 506, le procédé opère une corrélation mathématique entre le signal initial stocké en mémoire du nœud récepteur et le signal codé reçu.

[0084] L'étape suivante 508 consiste à appliquer un seuil sur l'enveloppe du signal redressé (valeur absolue) de la corrélation. Tel qu'illustré sur la figure 2 de l'article de Moll et al., ce signal redressé de corrélation est découpé en tronçons de temps équivalents à la longueur du signal envoyé pour la calibration. Si sur la durée d'un de ces tronçons, l'enveloppe de la corrélation dépasse à un moment donné le seuil alors la valeur '1' est affectée à ce tronçon. Si sur toute la durée d'un tronçon, l'amplitude de l'enveloppe de la corrélation reste en-dessous du seuil alors la valeur '0' est affectée à ce tronçon.

[0085] Le procédé poursuit par une étape 510 de comparaison de la suite de '1' et de '0' obtenue à l'étape précédente 508 avec le code initial 501 .

[0086] La comparaison donne un résultat 512 sur la santé du rail. Si les deux codes sont identiques, le résultat indique que le rail est sain (i.e. pas de défaut détecté), et si les deux codes diffèrent, le procédé indique que le rail n'est pas sain et peut lever une alerte qu'il existe un défaut sur la portion de rail entre les points P1 et P2.

[0087] Dans l'article de Moll et al., les auteurs montrent plusieurs exemples de mise en œuvre en laboratoire de ce procédé de communication entre deux transducteurs sur différentes structures de petites dimensions (typiquement inférieures à 1 m), mais sans utilisation des signaux pour faire une détection de défaut, en particulier sans indication que les signaux pourraient être utilisés pour effectuer une détection de défaut dans des structures industrielles sans interrompre leur utilisation par des véhicules les utilisant (tels des trains ou des cabines de téléphériques).

[0088] Il ressort qu'une l'implémentation de cette approche à un contexte industriel comme celui poursuivi par la présente invention ne serait pas fonctionnelle pour plusieurs raisons. [0089] D'une part, les signaux dans un environnement industriel sont fortement bruités, a fortiori dans le contexte ferroviaire avec présence de trains générant des vibrations parasites captées par les transducteurs. De ce fait, l'étape de corrélation 506 ne produit pas dans ce cas des pics nets, proches de '1' et bien distincts des '0', mais elle donne des valeurs plus petites, qui sont plus proches de 0, et alors le résultat de la corrélation avec les signaux bruités n'est pas bon. Par conséquent, la détermination d'un seuil de détection permettant de discriminer les '1' et les '0' n'est pas possible, et le reste de l'analyse ne serait donc pas fiable. Ainsi, cette solution ne peut pas être viable pour un environnement industriel réel.

[0090] D'autre part, la problématique à laquelle s'intéresse la présente invention, est celle des propagations d'ondes ultrasonores guidées sur des distances significativement plus longues, comparées aux longueurs d'ondes mises en jeu pour les ondes élastiques, à savoir plusieurs dizaines de milliers de longueurs d'ondes entre deux capteurs sur un rail, versus quelques dizaines de longueurs d'ondes au maximum dans tous les cas présentés par les auteurs de l'article précité.

[0091] Aussi, et du fait intrinsèque de la dispersion propre aux ondes élastiques guidées (les différentes composantes fréquentielles du signal se propageant à des vitesses différentes), les signaux de propagation d'ondes élastiques guidées entre deux transducteurs sont très longs et déformés. L'information du signal de calibration est alors « étalée » sur un signal long et très complexe, dont une bonne partie est de petite amplitude par rapport à la composante fréquentielle d'amplitude dominante. L'information est alors noyée dans le bruit électronique ou physique au moment de la mesure par le transducteur. L'opération de corrélation avec le signal courant est donc très difficile à établir (parce que les signaux sont d'une forme très complexe, et dès qu'un minimum de bruit est rajouté, le signal est encore plus différent, et la corrélation devient très compliquée), ce qui s'ajoute à la difficulté mentionnée plus haut en cas de bruit supplémentaire dû aux passages des trains.

[0092] Par ailleurs dans le contexte de l'invention, les signaux à corréler sont extrêmement longs, et le procédé présenté sur les figures 5a et 5b basé sur l'approche présentée dans l'article de Moll et al. nécessiterait alors des capacités de calcul importantes, peu compatibles avec un système embarqué peu coûteux. [0093] Ainsi, afin de pallier ces difficultés, les inventeurs ont développé une approche qui est basée sur une étape de calibration avec retournement temporel, et une étape de corrélation spécifique.

[0094] Bien que le retournement temporel soit une technique connue, la mise en œuvre de l'approche précédente avec du retournement temporel dans le contexte des structures longues, n'est pas d'une application immédiate.

[0095] Il y a lieu de considérer le développement de plusieurs étapes techniques supplémentaires non évidentes pour effectuer de manière fiable le traitement des signaux, et rendre effective la modulation / démodulation dans le cas complexe d'une structure guidante de très grande dimension et en environnement industriel réel.

[0096] La figure 6a et la figure 6b illustrent le procédé de l'invention pour une application ferroviaire. Cependant, cet exemple est non limitatif et l'homme du métier pourra utiliser ce procédé pour toute autre application mettant en œuvre 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.

[0097] Le procédé 600 débute par une phase préliminaire 601 effectuée avant tout passage d'un train, qui comprend une étape de calibration des nœuds électroniques auxquels sont associés des points P1 , P2. La calibration consiste à émettre depuis un nœud émetteur de calibration via le point P2 associé, un signal et à considérer comment est, le signal Y(t) reçu au niveau du nœud récepteur de calibration associé au point éloigné P1 , i.e. quelles sont les déformations subies par le signal dans le rail.

[0098] Alternativement (mais non représenté sur la figure), la calibration peut se faire dans le sens inverse, c'est-à-dire en émettant depuis un nœud émetteur de calibration via le point P1 associé, un signal et en considérant comment est le signal reçu au niveau du nœud récepteur de calibration associé au point éloigné P2, i.e. quelles sont les déformations subies par le signal dans le rail. Le signal de calibration Y(t) reçu en P2 est ensuite communiqué (par exemple via un serveur distant) au point P1 où il est stocké en mémoire pour utilisation ultérieure par retournement temporel.

[0099] Dans un mode de réalisation, le signal qui est envoyé pour la calibration est un signal en rafale (« burst » en anglais). [0100] Dans un autre mode de réalisation, représenté sur la figure 6a, le signal qui est envoyé pour la calibration est une impulsion courte.

[0101] Le signal reçu Y(t) donne alors le signal de référence qui sera utilisé, après une étape de retournement temporel (i.e. Y(-t)), comme signal d'émission par le nœud P1 . Ce signal Y(t) de référence est stocké dans une mémoire du nœud P1 (par exemple la mémoire 314).

[0102] Le procédé de retournement temporel permet intrinsèquement de compenser les déformations subies par le signal lors de sa propagation dans le rail, et notamment les déformations liées à la dispersion des ondes élastiques guidées, qui sont très importantes lorsque les distances de propagation sont très longues. Le retournement temporel permet de naturellement faire arriver toutes les composantes fréquentielles du signal en phase au niveau du transducteur récepteur, et donc de mesurer des signaux d'amplitude significative, permettant ainsi de minimiser la contribution du bruit venant du train par rapport à l'information portée par le signal lors de la phase de décodage, notamment par corrélation.

[0103] La phase préliminaire 601 comprend aussi une étape de sélection d'un code initial qui va correspondre au signal à émettre depuis le nœud émetteur (au point P1), pour générer un signal codé utilisé pour déclencher une onde ultrasonore guidée dans le rail depuis le point P1 vers le point P2. Le code choisi est communiqué au nœud récepteur et stocké en mémoire.

[0104] Dans un mode de réalisation, le code qui est choisi est composé d'une suite de '0' et de '1'.

[0105] Dans une variante de réalisation, le signal peut être codé comme une suite de '1' et de '-1', ce qui ne change strictement rien aux performances du système (en termes de quantité d'information transmise) mais qui facilite la présentation des opérations de codage/décodage dans certains cas (permet de faire la corrélation sur un nombre fixé de bits sur une durée plus courte).

[0106] Le code choisi peut être très bref et correspondre à une séquence de bits courte (typiquement 8 voire 4 bits) afin de minimiser la durée du signal d'émission et donc l'énergie consommée par le système.

[0107] Alternativement, le code choisi peut être beaucoup plus long afin de maximiser la fiabilité de la transmission. Le code peut aussi optionnellement comporter une séquence de correction d'erreur afin de détecter voire corriger certaines erreurs de transmission et augmenter la fiabilité du décodage par la redondance d'information transmise. Cette séquence de correction peut-être un simple bit de parité ou un code plus complexe, de type code de Hamming ou code de Golay ou autre code.

[0108] Le procédé de détection de défauts est initié lors d'une première émission 602 d'une onde ultrasonore guidée dans le rail, l'onde guidée correspondant à un signal général provenant du retournement temporel et modulé avec le code prédéfini. Le signal général émis par le transducteur émetteur positionné à proximité du premier point P1 , est alors une succession de signaux Y(-t) et de signaux -Y(-t) selon la séquence codée choisie.

[0109] Le déclenchement de l'envoi d'ondes ultrasonores guidées dans le rail est fait sans se préoccuper qu'il y ait un passage de train ou non.

[0110] Le signal codé est reçu 604 par le transducteur du point P2. La figure 6b illustre de manière schématique, un signal émis au point P1 selon une séquence codée C=[1 ;1 ;1 ;-1 ;-1 ;1 ;1 ;-1], et le signal codé en réception 's' au point P2. Le signal codé reçu est numérisé et stocké en mémoire du nœud récepteur associé au point P2 pour en faire l'analyse.

[0111] Dans un mode de réalisation avantageux, afin d'atténuer la contribution d'un train en profitant du fait que celle-ci soit variable au cours du temps, les étapes d'émission 602 et de réception 604 de la séquence codée, sont répétées plusieurs fois (typiquement quelques dizaines à centaines de fois). Le signal codé ‘s’ qui est alors considéré pour l'analyse, est un signal moyenné 's ^m ' sur les différentes réceptions 604, pour diminuer dans l'analyse l'influence du bruit généré par le train.

[0112] Dans la suite de la description, sauf contre-indication, l'expression « signal reçu » désigne le signal unique 's' ou le signal moyenné 's ^m '.

[0113] Dans une étape optionnelle 606, un nettoyage est appliqué sur le signal reçu (s ou s ^m ) pour obtenir un signal nettoyé, Ce nettoyage est constitué de plusieurs étapes, toutes optionnelles.

[0114] Une première étape consiste à lisser le signal reçu à l'aide d'un filtre passe- bas pour supprimer des perturbations transitoires hautes-fréquences parasites très énergétiques. [0115] Une implémentation simple du lissage du signal 's' ou du signal moyenné 's ^m ' reçu, peut-être de définir un signal lissé sur une moyenne mobile selon respectivement l'équation suivante : où t _j sont les échantillons temporels du signal reçu, et 'N' est le nombre d'échantillons sur lesquels est effectuée la moyenne mobile. Dans une réalisation, N peut être choisi comme étant le nombre d'échantillons du signal utilisé pour la calibration ('durée d'un bit').

[0116] Une deuxième étape consiste à mettre à zéro les échantillons du signal dont l'amplitude en valeur absolue est inférieure à un seuil donné. Le seuil peut par exemple être fixé à 10 fois l'amplitude maximale du bruit reçu en l'absence d'émission d'onde et de train.

[0117] A l'issue des opérations de nettoyage on obtient un signal nettoyé .

[0118] Dans une étape suivante 608, le procédé opère une corrélation mathématique entre le code initial stocké en mémoire du nœud récepteur (au point P2) et le signal s(t) reçu, soit après nettoyage et/ou moyennage, ce signal incluant du bruit lié au(x) passage(s) de train. Du fait de la structure des signaux mis en jeu dans le contexte de l'invention où les signaux sont constitués d'un très grand nombre de zéros, le calcul de corrélation de la présente invention est très peu coûteux, et il peut ainsi être implémenté facilement sur un système embarqué aux puissances de calcul limitées.

[0119] Dans un mode de réalisation, le calcul de corrélation est fait selon l'équation suivante : où C _i est le code constitué des N _bits bits ('1' ou '-1 ') envoyés aux instants t _i et est le signal reçu au point P2, éventuellement moyenné et/ou nettoyé. [0120] Le résultat S du calcul de l'étape de corrélation 608, est dans une étape suivante 610 comparé à un seuil prédéfini.

[0121] Si la valeur 'S' obtenue par la corrélation est supérieure au seuil, alors le rail est considéré sain. Si la valeur 'S' obtenue par la corrélation est inférieure au seuil, cela signifie que la propagation d'ondes a été significativement perturbée, ce qui est alors le signe d'une suspicion de défaut du rail entre les points P1 et P2, ou le signe d'une défaillance d'un des transducteurs associés à ces points. Dans ce cas, une alerte 612 est envoyée par le nœud P2 au serveur distant pour une analyse plus poussée. Une telle analyse peut se baser sur le procédé décrit dans la demande FR2009239 de la Demanderesse.

[0122] Le seuil prédéfini pour la comparaison de l'étape 610 peut être déterminé, suite à l'installation du système sur le rail, à partir du calcul d'une première valeur So résultant du calcul de la corrélation 608, opéré par exemple par le dispositif de calcul 316 du dispositif électronique.

[0123] Au cours du temps, des valeurs S _k sont mesurées et stockées en mémoire du dispositif électronique.

[0124] Une chute significative (typiquement supérieure à 50%) par rapport à la mesure initiale déclenche l'émission d'une alerte. Une variation brutale entre 2 mesures du système (mais potentiellement moins importante que le seuil de 50%) peut aussi déclencher l'émission d'une alerte.

[0125] Dans un exemple de réalisation non limitatif, des paramètres pour établir la comparaison peuvent être fixés à (0,5; 0,8 ; 10), et ainsi définir que : si S _k < 0,5 S ₀ ou si alors une alerte est déclenchée. La 1ère équation correspond à une variation importante (mais pas forcément brutale) par rapport à la valeur initiale So. La 2ème équation correspond à une variation un peu moins importante, mais rapide (comparée aux 10 dernières mesures). [0126] L'homme du métier comprend que toutes autres valeurs peuvent être définies selon le contexte de l'application.

[0127] Dans un mode de réalisation alternatif, l'étape 608 de corrélation est remplacée par une étape de détection des pics du signal obtenu après nettoyage. La détection peut se faire à l'aide d'une opération de seuillage. Le seuil peut, par exemple, être fixé comme le double de l'amplitude maximale du signal durant la phase préliminaire de calibration. Cela permet d'atténuer dans les opérations de décodage les contributions de signaux parasites très énergétiques.

[0128] L'opération de seuillage peut alternativement être effectuée par une procédure de traitement du signal plus complexe (reconnaissance de motif, transformation temps-fréquence, etc.).

[0129] Ces opérations sont nettement plus coûteuses que l'autre variante de corrélation, mais elles permettent d'interpréter le signal d'ondes élastiques guidées comme une succession de bits d'information. Il est alors possible d'exploiter la redondance d'information apportée par le code correcteur d'erreur optionnel pour améliorer la fiabilité du diagnostic. Il est aussi possible d'ajouter par ce mécanisme des bits d'information permettant une communication directe entre les nœuds P1 et P2, sans passer par le serveur distant, par exemple en cas de défaillance des systèmes de communication nœud/serveur.

[0130] 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.