Soutenance mémoire
Les maintenances industrielles
Les maintenances industrielles peuvent être classées en deux catégories : les maintenances correctives et les maintenances préventives.
Maintenances correctives Ce sont les actions de maintenance qui interviennent après une défaillance. Elles peuvent être palliatives (réparation provisoire ou dépannage), ou curatives (réparation définitive).
Maintenances préventives Elles sont réalisées pour réduire les probabilités de défaillance. Elles se divisent en trois catégories principales selon l’événement déclencheur. Lorsqu’elles sont planifiées selon un échéancier, on parlera de maintenances préventives systématiques. Lorsqu’elles sont déclenchées dès qu’un indicateur franchit un certain seuil, ce sont des maintenances préventives conditionnelles. Ces maintenances nécessitent une collecte d’informations systématique et la définition de seuils d’intervention. Elles permettent de programmer des interventions à court ou moyen terme. Enfin, lorsqu’elles sont réalisées en fonction de l’analyse de l’évolution de paramètres significatifs de dégradation, ce sont des maintenances préventives prévisionnelles ou prédictives. Elles sont utilisées pour planifier à long terme des actions avant que les seuils d’intervention ne soient atteints. Le type de maintenance sera choisi en fonction du trafic, de l’impact sur la sécurité de la voie et du type de matériel. Par exemple, les maintenances préventives systématiques sont effectuées pour l’entretien des abords de la voie et le rétablissement des profils de ballast en fonction des saisons, tandis que les maintenances préventives conditionnelles (et prévisionnelles) du rails et de la géométrie de la voie sont effectuées en fonction du tonnage cumulé supporté et des informations récupérées par divers instruments de mesures. Les engins lourds d’auscultation à ultrasons (ELUS) font parties du plan de maintenance préventive systématique. Ils utilisent un système de détection par ultrasons des défauts internes du rail. Ce système produit des données utilisées pour déclencher des maintenances préventives et correctives. Ces informations sont aussi utilisées pour améliorer les modèles de prédictions d’évolution des fissures internes du rail.
Le système ferroviaire
Les acteurs
Le système ferroviaire est constitué de l’ensemble des moyens de production ferroviaire, composés de moyens humains et matériels. Par exemple, les voies, les locomotives, les voitures, mais aussi les engins de maintenances, les centres de maintenances et les quais sont des moyens de production matériels. Les moyens de productions « humains », constitués de savoirfaire spécifique, sont les horairistes, les régulateurs, les aiguilleurs, les juristes, etc. Ces moyens de production sont détenus par des acteurs différents et en concurrence, classés en trois catégories selon leur rôle. Tout d’abord, les organismes de contrôle et de régulation sont responsables de la sécurité sur le réseau : coordination des acteurs, respect de la législation, organisation des investissements, etc. Ensuite, les gestionnaires d’infrastructure (GI) sont les entités responsables de la gestion, de l’entretien et du développement du réseau. En France, Réseau Ferré de France (RFF) est l’unique GI. C’est aussi l’entité comptable qui perçoit les redevances d’accès (péages). Enfin, les Entreprises Ferroviaires (EF) exploitent commercialement le réseau. En France, la Société des Chemins de Fers Français est le principal EF, que ce soit en transport de fret ou de voyageurs. D’autres EF de pays Européens exploitent aussi le réseau ferroviaire français. Les Gérants d’Infrastructure Délégués (GID) sont d’autres acteurs importants de la production ferroviaire. En France, la branche Infrastructure de la SNCF est un GID. Elle est mandatée par RFF pour réaliser certaines maintenances.
La production ferroviaire
Un des rôles incombant à RFF est l’entretien du réseau ferroviaire. Pour réaliser cette tâche, RFF et la SNCF sont liés par un contrat de délégation de pouvoir. RFF, en tant que maître d’ouvrage, définit les objectifs de maintenance et délègue à la SNCF leur réalisation. Celle-ci s’engage alors sur des objectifs de volume et de qualité. En ce qui concerne les maintenances correctives ou les renouvellements, RFF traite également avec la SNCF au travers de programmes déclinés par types dŠinstallations. Ces deux acteurs principaux du système ferroviaire français sont donc clients et fournisseurs l’un pour l’autre : la SNCF paye des redevances à RFF et RFF rétribue la SNCF pour la réalisation des maintenances.
La production d’un train est une tâche qui nécessite la coordination de plusieurs entités du systèmes. En effet, pour que le train puisse rouler, il faut que soient libres :
1. un conducteur,
2. un engin moteur (automotrice, locomotive, etc.),
3. une rame (constitué de voitures),
4. un sillon (réservation de voie),
5. et un ensemble de services (gares ouvertes, aiguilleurs, régulateurs, etc.).
La difficulté est alors de coordonner les acteurs qui détiennent ces ressources. Le conducteur, l’engin moteur et la rame sont du ressort de l’EF qui exploite le train. Par contre, le sillon est détenu par RFF et les services nécessaires peuvent être fournis par plusieurs EF.
Le référentiel d’enregistrement
L’UIC (Union Internationale des Chemins de fers) est une association ayant pour but la standardisation des termes ferroviaires. Elle a établi une classification des lignes en fonction de la charge de trafic qu’elles supportent (tonnage cumulé et vitesse de circulation maximale). Cette classification va de 1 à 9. Le groupe UIC 1 correspond à des lignes très chargées. Le référentiel IN2070 (2002) spécifie, pour ces groupes, les fréquences d’inspection qui varient de 6 mois pour une ligne TGV, à 20 ans pour un rail posé neuf sur une voie peu utilisée. Lorsqu’il est impossible de réaliser les enregistrements nécessaires, des dérogations doivent être signées par une autorité compétente . Sans ces dérogations, des limitations de vitesse ou des fermetures de voies sont imposées. Les fréquences et les dates d’auscultation passées décrivent des fenêtres de temps pendant lesquelles les auscultations futures doivent être réalisées. Ces auscultations futures sont appelées « tâches d’auscultation ». Lorsqu’un engin circule en réalisant une tâche d’auscultation, on dit qu’il se déplace « en auscultation ». Dans le cas contraire (auscultation non obligatoire ou haut-le pied), on dit qu’il se déplace « en acheminement ».
Enjeux de l’auscultation ultrasonore par engins lourds
Les causes principales de détérioration du rail sont l’usure mécanique, l’enrayage et les chocs thermiques. Lorsque le risque de rupture est trop important, des limitations de vitesse, des fermetures de voies ou des maintenances correctives sont à prévoir. Ces dernières peuvent se révéler particulièrement coûteuses en personnels et matériels. Elles imposent des restrictions de circulation et sont la cause de désagréments commerciaux. Les graphiques présentés par l’EPSF dans le rapport de sécurité EPSF (2008) et repris dans la figure 2.1(a) montrent une augmentation du nombre de déraillements entre 2006 et 2008, alors que le nombre de rails cassés détectés est resté stable (voir 2.1(b)). Il serait possible de conclure que l’augmentation des déraillements est due à un autre phénomène que les rails cassés. Or, dans les rapports d’audit (page 21 du rapport EPSF (2008) et le rapport de Rivier et Putallaz (2005)), il est fait mention d’un taux de déraillement qui augmente en raison de l’état de vétusté du réseau. Il faut ajouter à cela que la rénovation du réseau et l’accroissement du trafic vont augmenter la quantité de rail à ausculter annuellement. Ces constatations soulignent l’importance du suivi des défauts de rails et donc de leur auscultation.
Projet grands axes
En 2010, la SNCF utilise un découpage administratif de la France en 23 régions. Chacune de ces régions est responsable de la maintenance d’une partie du réseau ferroviaire. Elles planifient la majorité des auscultations ultra-sonores. L’Établisselement Logistique National (ELOGN) est l’entité responsable de l’acheminement des engins et de la coordination des régions. Il met à leur disposition, entre autres, les engins lourds d’inspection à ultrasons (ELUS) et organise les acheminements nécessaires aux transferts des engins.
Technique
La détection par ultrasons
Plusieurs technologies existent pour tester les rails de façon non destructive et détecter leurs défauts. Dans le livre de Blitz (1997) cinq techniques sont décrites et analysées : radiographiques (rayons-X, gamma, neutrons), acoustiques (ultra-sons, impédance mécanique), électriques et mécaniques (courant de Eddy, fuites magnétiques, micro-ondes), visuelles et optiques (interférométrie, holographie) ou thermiques (infrarouge). Parmi toutes ces technologies, la détection par ultrasons semble la plus adaptée à l’auscultation interne du rail. En effet, le métal absorbant très peu les vibrations acoustiques, le signal ultrasonore est peu atténué. De plus, la modification du positionnement des capteurs à ultrasons permet d’obtenir des coupes de rails avec différents angles. Un autre avantage de cette technologie est sa fiabilité. La mesure continue des défauts de rails est rendu possible par la haute fréquence d’échantillonnage des échos ultrasoniques et la finesse du modèle de propagation des ondes dans les métaux. Le désavantage majeur est que la qualité du signal varie en fonction de la vitesse de déplacement du mobile. Pour réduire les interférences, une pellicule d’eau est maintenue entre le capteur et le rail. Malgré cela, au-delà de 40 km/h, le signal devient inexploitable sur la majorité du réseau. En pratique, le bruit induit par le passage sur certains appareils de voie, tels que les aiguillages et les appareils de dilatation, est trop important pour que ces éléments soient surveillés par les ELUS. Ils sont contrôlés à pied d’œuvre.
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Table des matières
1 Introduction
I Présentation de la problématique
2 Environnement industriel et problématique
2.1 Les maintenances industrielles
2.2 Le système ferroviaire
2.2.1 Les acteurs
2.2.2 La production ferroviaire
2.2.3 Le référentiel d’enregistrement
2.3 Enjeux de l’auscultation ultrasonore par engins lourds
2.4 Projet grands axes
2.5 Technique
2.5.1 La détection par ultrasons
2.5.2 Les engins
2.6 Étapes de la programmation
2.6.1 La conception des programmes d’auscultation
2.6.2 L’adaptation des programmes d’auscultation
2.6.3 La réalisation des programmes d’auscultation
2.6.4 Performance
2.7 Propositions
2.7.1 Conception
2.7.2 Adaptation
2.7.3 Réalisation
2.8 Motivation et enjeux
3 Revue de littérature
3.1 Théorie des graphes
3.2 Tournées sur arcs
3.2.1 Problèmes principaux
3.2.2 Variantes
3.2.3 Algorithmes de résolution
3.3 Applications
3.4 Maintenances des installations ferroviaires
4 Modélisation des tournées des engins de maintenances
4.1 Graphe
4.1.1 Vue macroscopique
4.1.2 Nœuds
4.1.3 Arcs
4.2 Modèle journée
4.3 Modèle engin
4.4 Formulations mathématiques
4.4.1 Formulation arc-flot (Marc)
4.4.2 Formulation chemins (Mchemin)
4.5 Décompositions mathématiques
4.5.1 Décomposition de Dantzig-Wolfe de Marc (MDW)
4.5.2 Décomposition de Benders de Mchemin (MBenders)
II Mise en œuvre
5 Approche algorithmique
5.1 Schéma général
5.2 Présentation du problème maître augmenté M 0 Benders
5.3 Résolution de M 0 Benders
5.3.1 Initialisation
5.3.2 Génération des colonnes
5.3.3 Détermination d’une solution entière
5.4 Génération des coupes de Benders Combinatoires
5.4.1 Description des sous problèmes de Benders
5.4.2 Simplification des coupes BC pour M 0 Benders
5.4.3 Coupe combinatoire « voyageur de commerce avec fenêtres de temps »
5.4.4 Coupe linéaire « affectation calendaire »
5.5 Projection des coupes BC : Pseudo Coupes Locales
5.6 Variantes
5.6.1 Heuristique gloutonne d’arrondi : AlgoChvatalCover incrémental
5.6.2 Heuristique d’ordonnancement : AlgoSchedList avec branchement
5.6.3 Heuristique d’ordonnancement : AlgoSchedList avec VCG
5.7 Un algorithme glouton évolué : AlgoGreedy
6 Tests numériques
6.1 Présentation du jeu de données
6.2 Détails d’implémentation
6.2.1 M 00 Benders : Initialisation
6.2.2 AlgoEspprc : Durée maximum dynamique
6.3 Comportement des algorithmes
6.3.1 Heuristique de couverture
6.3.2 Génération des journées de services
6.3.3 Sélection des journées de services
6.3.4 Ordonnancement des journées de services
6.4 Performance globale et impact des chantiers
6.4.1 Algorithme de référence
6.4.2 Algorithme final
6.5 Influence des pseudo coupes locales
7 Logiciel
7.1 Architecture
7.2 Données
7.2.1 Entrées
7.2.2 Sorties
7.3 L’interface graphique
7.3.1 Quelques écrans
7.4 Le cœur de calcul
7.4.1 Patrons de conception
7.5 Paramétrage
7.6 Cas d’utilisation
III Conclusion
