Soutenance mémoire
La sécurité dans les transports est un enjeu capital qui engendre une quantité de travaux conséquents. Bien que l’attente vienne en grande partie des exploitants, au vue des risques, les gouvernances des pays sont également concernées. Le transport quel que soit son mode (aéronautique, maritime, ferroviaire, etc.), est une activité qui comporte des risques importants du fait de la vitesse liée au déplacement des parties mobiles (appareils, véhicules, cabines, etc.) et des charges lourdes imposées. D’autre part, les transports collectifs impliquent que la moindre défaillance prend des proportions considérables, l’accident ferroviaire de Brétigny-sur-Orge en 2013 en est un triste exemple.
Dans le domaine ferroviaire, les véhicules utilisent la faible résistance du mouvement entre la roue et le rail afin d’être un mode de transport propre et économique en énergie. Le développement des trains rapides et l’augmentation des charges imposées, affectent l’interaction dynamique véhicule-voie. Cette interaction contribue fortement au confort de roulement, à la sécurité, à la stabilité du véhicule, aux forces roue-rail ainsi qu’à la propagation du bruit, etc. et est influencée par divers facteurs. La sécurité est l’élément primordial de la qualité du service et de l’exploitation des chemins de fer. En effet, l’état des roues et des rails ont un impact essentiel sur la sécurité ferroviaire. Par conséquent, avoir des voies et des véhicules ferroviaires dans un état acceptable est une préoccupation majeure pour les opérateurs et les exploitants d’infrastructures. De plus, les matériaux, pièces et structures utilisées dans ce secteur sont soumis à des conditions de fonctionnement sévères (conditions climatiques, choques, charges lourdes, trafic dense, actes de vandalisme, etc.) qui provoquent endommagements, dégradations, déformations et vieillissements prématurés. Ces matériaux nécessitent une maintenance accrue et régulière qui se traduit par des coûts importants pour les exploitants du réseau. Détecter et prévenir les zones à risques potentiels qui peuvent conduire à des accidents est la première préoccupation des gestionnaires d’infrastructures. C’est dans ce contexte que les méthodes de Contrôle Non Destructif (CND) ont été introduites.
Les capteurs existants actuellement facilitent les mesures des paramètres physiques tels que : la température, l’humidité, la lumière, les vibrations, etc. Cette diversité permet le développement de nombreuses applications dans différents domaines, néanmoins la conception de ces systèmes imposent, dans la plupart des cas, des exigences différentes et complexes. Aujourd’hui, un grand nombre de capteurs et actionneurs peuvent être déployés dans différents environnements. La mise en réseaux de ceux-ci et l’analyse des données qu’ils collectent permet d’avoir une idée plus ou moins précise sur la zone sous surveillance. Toutefois, dans un grand nombre d’applications, disposer d’une interconnexion filaire pour l’ensemble des entités du réseau constitue un obstacle considérable (grand nombre de dispositifs, complexité du câblage, problème de maintenance).
Grâce à une combinaison de progrès de l’électronique, des nanotechnologies, des communications sans fil et de l’informatique embarquée, il est maintenant possible de concevoir des capteurs évolués et des systèmes de captage qui peuvent être utilisés dans différents domaines. Ces évolutions ont permis la naissance d’une nouvelle génération de réseau : les réseaux de capteurs sans fil (WSNs) [11]. L’apparition de la notion de “ nœud capteur ” remonte aux années 1990 et est due au chercheur Kris Pister de l’Université de Berkeley, en Californie, qui avait imaginé “ des particules intelligentes ” capables de tout surveiller sur la planète. En 1998, le projet “ SmartDust ” [12, 13], dirigé par les professeurs Kahn et Pister, a pour objectif de concevoir des microsystèmes constitués de capteurs capables de communiquer des informations mesurées dans l’environnement : c’est l’avènement des nœuds capteurs communicants et des réseaux de capteurs sans fil.
Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil
Mise en œuvre et déploiement des WSNs
Les WSNs sont un cas particulier des réseaux Ad’Hoc (appelés aussi réseaux mobiles Ad’Hoc “ Mobile Ad’hoc NETworks ” MANET). Contrairement aux réseaux de communication cellulaires, dans les WSNs aucune administration centralisée, ni aucune infrastructure ne sont nécessaires [11]. Dans un WSN, les nœuds forment eux-mêmes, d’une manière Ad’Hoc, une infrastructure de réseau où ils jouent les deux rôles de nœuds sources et relais (routeur). Les principales différences entre les WSNs et les MANETs se situent au niveau de la densité et de la tolérance à l’efficacité énergétique. En effet, la taille d’un WSN est supposée être de l’ordre de plusieurs centaines à des milliers de nœuds [11]. Un WSN est constitué par un ensemble de nœuds miniatures, chacun composé de quatre entités de base :
1. un module radio pour l’échange des informations via un lien sans fil ;
2. un ou plusieurs capteurs/actionneurs avec une tâche spécifique, telle que la détection de mouvement pour un capteur et l’activation d’un contact pour un actionneur ;
3. un microcontrôleur pour le traitement des données ;
4. une source d’énergie pour alimenter l’ensemble .
Contraintes de conception des WSNs
Les solutions envisagées pour répondre aux exigences de l’application visée sont conditionnées par des contraintes. Ces solutions peuvent donc être plus ou moins efficaces selon l’application. En d’autres termes, l’application ou le type d’application reste donc l’élément le plus influent pour la conception des protocoles du réseau. Toutefois, certaines exigences lors de la conception d’un WSN sont communes à plusieurs applications. Les principaux facteurs et contraintes influençant l’architecture des WSNs peuvent être résumés comme suit :
• Durée de vie : c’est la caractéristique fondamentale d’un WSN. Les contraintes liées à l’approvisionnement en énergie (changement ou rechargement des batteries) peuvent être pénibles selon le déploiement des nœuds, et soulèvent un coût de maintenance élevé. Il est donc essentiel d’avoir une durée de vie du réseau la plus longue possible.
• Échelle : la plupart des WSNs sont composés de quelques dizaines (voir centaines) de dispositifs, mais dans certaines applications des milliers de nœuds sont exigés.
• Coût : comme les WSNs peuvent contenir un nombre important de nœuds, il est nécessaire d’avoir un coût unitaire par nœud le plus faible possible, afin d’arriver à un coût globale du réseau acceptable.
• Tolérance aux erreurs (scalabilité) : certains nœuds peuvent générer des erreurs ou ne plus fonctionner à cause d’un manque d’énergie, un problème physique (nœud endommagé) ou une interférence. Ces problèmes ne devraient pas affecter le reste du réseau. Ce dernier doit être capable de prendre en considération cette modification tout en assurant une bonne qualité de service.
• Environnement : les nœuds capteurs sont souvent déployés dans des endroits hostiles : champs de bataille, à l’intérieur des grandes machines, au fond des océans ou dans des champs biologiquement ou chimiquement souillés. Ces nœuds doivent fonctionner sans surveillance.
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Table des matières
Introduction générale
1 Les réseaux de capteurs sans fil et leurs applications au contrôle-santé des structures et infrastructures
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil
1.2.1 Mise en œuvre et déploiement des WSNs
1.2.2 Contraintes de conception des WSNs
1.2.3 Architecture matérielle d’un nœud capteur
a) Sous-système d’acquisition
b) Unité de traitement
c) Sous-système de transmission
d) Sous-système d’alimentation
1.3 Domaines d’application des réseaux de capteurs sans fil
1.4 Application au contrôle-santé des structures et infrastructures ferroviaires
1.4.1 État de l’art des techniques de contrôle non destructif dans l’industrie ferroviaire
a) Le Contrôle Non Destructif CND
b) Les techniques de CND utilisées dans le domaine ferroviaire
c) Le Contrôle-Santé Intégré (CSI)
1.4.2 WSNs – CSI : Vers des infrastructures ferroviaires intelligentes
1.4.3 Capteurs utilisés et éléments inspectés
a) Les différents capteurs utilisés
b) Les réseaux fixes et mobiles (embarqués)
1.5 Objectifs et enjeux de notre travail de recherche
1.5.1 Le CSI au sein de l’IEMN
1.5.2 Objectif des travaux présentés dans ce manuscrit
1.6 Conclusion
2 Étude expérimentale de la méthode de corrélation de bruit acoustique pour le contrôle-santé passif des rails
2.1 Introduction
2.2 Fonction de corrélation – Estimateur de corrélation
2.2.1 Fonction de corrélation : rappels
2.2.2 Estimateur de corrélation
2.3 Reconstruction passive de la réponse active : bases théoriques
2.4 Conditions de convergence vers la réponse active sur un échantillon de rail
2.4.1 Capteurs utilisés
2.4.2 Mesure de la réponse active
2.4.3 Mesure de l’inter-corrélation de bruit
a) Dispositif expérimental
b) Caractérisation du générateur de bruit
c) Reconstruction (estimation) de la réponse active
2.5 Application à la détection de défaut
2.5.1 Sensibilité à un défaut local
2.5.2 Extraction des informations cohérentes
2.6 Conclusion
3 Étude et modélisation d’une plateforme de communication pour les WSN
3.1 Introduction
3.2 Description de la plateforme de communication pour les WSNs dédiée au CSI de l’infrastructure ferroviaire
3.2.1 Spécification des besoins
3.2.2 Topologie du réseau
3.2.3 Analyse préliminaire du système
a) Diagramme de cas d’utilisation relatif au coordinateur
b) Diagramme de cas d’utilisation relatif au nœud capteur
3.3 Choix de la technologie de communication sans fil
3.3.1 Technologies potentiellement intéressantes pour les WSNs
3.3.2 La technologie IEEE 802.15.4/ZigBee
3.4 Caractérisation du canal de propagation et portée radio
3.4.1 Modèles de propagation radio-fréquence
3.4.2 Dispositif expérimental
3.4.3 Mesure de l’atténuation du canal
3.5 Résultats de mesures, discussion et comparaison aux modèles théoriques
3.5.1 Résultats des scénarios indoor
3.5.2 Résultats obtenus pour les scénarios outdoor, stade et voie ferroviaire
3.6 Conclusion
Conclusion générale
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