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Contrôle de santé des structures et réseaux de capteurs
L’installation de réseaux de noeuds de capteurs sans-fil a tendance à remplacer ou compléter les inspections périodiques dans le domaine du contrôle de santé des structures de génie civil. L’utilisation de capteurs sans-fil lève cependant des enjeux techniques liés à la précision de leurs mesures et à leur autonomie. La précision de l’échantillonnage de données réparti sur plusieurs noeuds dépendant du temps est grandement corrélée à la synchronisation entre ces noeuds. Cette synchronisation entre les noeuds se doit d’être fiable, facilement déployable sur les structures et le plus économe en énergie possible.
Contrôle de santé des structures
Définition
Le présent rapport de thèse rapporte des travaux dont la principale inspiration en matière d’application est celle du SHM. Bien que les applications et bénéfices possibles d’une synchronisation de noeuds de capteurs sans-fil soient plus larges, les cas d’applications du SHM ont permis de bien définir des cas d’usages critiques au sein desquels la qualité de synchronisation des noeuds est fondamentale. Aussi, nous proposons ici de mieux définir la notion de SHM. Le SHM est un acronyme signifiant Structural Health Monitoring communément traduit en français comme le Suivi des Santé des Structures. On peut affirmer que le SHM ne constitue pas en soi une discipline scientifique fermée et auto-définie mais la mise en facteur cohérente et à visée applicative d’un ensemble de champs disciplinaires allants de l’électronique aux mathématiques en passant par la physique des matériaux. Par structures on entend généralement les structures à enjeux c’est-à-dire celles pour lesquelles des vies sont en jeu (aéronautique, ouvrages d’art…) et/ou pour lesquelles des conséquences matérielles d’une défaillance sont dramatiques (déraillement d’un train, effondrement d’un pont, arrêt d’une centrale nucléaire). Par exemple les temps d’immobilisation dus à une réparation d’une ligne à haute tension ou au contournement d’un pont effondré sont extrêmement coûteux pour les gestionnaires et l’usager en général. Aussi on trouve des applications SHM s’applique plus particulièrement aux structures telles que (sans que cette liste ne soit exhaustive) : les ponts et ouvrages du Génie Civil [8], [9], les rails [10], [11], les systèmes de transports ou de production d’énergie telle que les éoliennes [12], [13]. Les techniques de SHM sont aussi appliquées dans le domaine de l’aviation pour l’inspection des appareils [14], [15] on board comme off board.
En règle générale, l’usage d’un système de SHM vise à équiper une structure de divers équipements matériels, dont essentiellement des capteurs, et d’utiliser des algorithmes de suivi permettant de suivre son état de santé en continu. Cette vision du SHM peut être perçue en opposition, ou en complément, des campagnes d’inspections arbitraires ou périodiques ne permettant pas nécessairement de détecter en temps réel l’apparition d’un défaut. Ainsi le déploiement d’un système SHM est synonyme d’installation d’un ensemble complet et parfois complexe de briques matérielles et logicielles qui se répartissent, physiquement sur la structure, en passant par des médias de (télé) communication jusqu’au serveur ou système d’information de l’exploitant, sur lesquels des opérateurs du gestionnaire basent leur décision quant à l’exploitation de la structure. L’objectif commun de tous les systèmes SHM est de délivrer une information la plus pertinente possible sur l’état de santé actuel ou futur de la structure suivant l’échelle de temps visée. Par exemple, dans le domaine du Génie Civil, le principe de détection et localisation des ruptures de fils dans les câbles des ponts peut alerter le gestionnaire en temps réel (si un nombre important de ruptures de fils sont détectées) ou conditionner un acte futur de maintenance (si ces ruptures sont rares mais co-localisées pouvant témoigner d’une faiblesse grandissante en un point particulier du câble). Parvenir à une une estimation de l’état de santé actuel et/ou de la durée de vie résiduelle de la structure [16] est donc le but global des systèmes SHM. Cela peut constituer un changement de paradigme dans les stratégies de maintenance puisqu’il s’agit de remplacer ou de compléter des inspections périodiques réalisées par des opérateurs par une surveillance, en continu, à partir d’une instrumentation intégrée à la structure. Les données fournies par un système SHM cherchent à garantir une utilisation optimale de la structure qu’il surveille. Il réduit les temps d’immobilisation (au sens arrêt de l’exploitation de l’ouvrage), il peut permettre de contrôler des zones inaccessibles ou nécessitant de lourdes opérations de démontage pour y accéder et apporte une sécurité visant à réduire le nombre de ruptures catastrophiques (exemple : surveillance par ultrasons de l’état des torons dans les parties inaccessibles des câbles de précontrainte).
La principale motivation pour le développement de systèmes SHM est économique grâce à la réduction des temps d’immobilisation, l’augmentation intrinsèque de la sureté de la structure et l’augmentation des intervalles entre deux campagnes de maintenance. A long terme, le SHM doit permettre de mettre en place une stratégie de maintenance conditionnelle (CBM : Condition Based Maintenance) et non plus à intervalles prédéfinis. D’autres visions peuvent être tirées des systèmes SHM comme, par exemple, celle consistant à instrumenter et suivre une structure représentative d’un parc de structures identiques et d’en déduire des campagnes de maintenances basées sur la similarité (exemple : suivi et maintenance groupée des moteurs de Passage à niveau sur le réseau ferroviaire). Enfin, les acteurs académiques poussent à faire évoluer la perception du SHM en intégrant les systèmes SHM ad initio c’est-à-dire dès la conception et la fabrication de la structure.
Exemples industriels
D’origine essentiellement académique, le SHM intéresse désormais tous les acteurs de la chaîne de valeur : des industriels, aux utilisateurs finaux en passant par les exploitants. L’état de santé de certaines structures à enjeux est constaté ou jugé comme préoccupant dans de nombreuses zones du globe : états des ponts et routes en Amérique du Nord, rapport sénatorial sur les ouvrages d’art en France, drames mortels du pont de Gênes en Italie ou de Mirepoix en France), etc. Le besoin en suivi de santé est énorme, et ne se limite pas aux structures nouvelles (exemples d’une rupture de câble sur le pont de l’île de Ré en 2018 en figure 2.1). La prolongation de la durée de vie des centrales nucléaires, le télérelevé de mesures en cas de crise (exemple du phénomène en accentuation des crues soudaines), le vieillissement du réseau ferroviaire ou l’inspection de structures peu accessibles (telles que les éoliennes offshores) constituent autant de sujets d’actualité pour le SHM. Mais il ne faudrait pas penser que le SHM industriel n’existe pas. De nombreuses solutions émergent en silo. On peut citer plusieurs succès industriels du SHM très récents. En aéronautique, un premier système SHM basé sur le Comparative Vacuum Monitoring (CVM) [17] a été certifié après plusieurs années d’analyses par les autorités américaines (Federal Aviation Administration, FAA) comme alternative à l’inspection périodique visuelle d’un composant peu accessible dans les Boeing 737. Dans le secteur pétrolier, Emerson a racheté pour plus de 40 Me la société Permasense, issue de travaux de l’Imperial College à Londres, qui a développé une solution de monitoring sans fil pour le suivi de corrosion et d’érosion des conduites [18] (représentée en figure 2.2). Ce système est désormais déployé dans des raffineries. La société SERCEL, leader historique en technologie d’exploration pétrolière, se diversifie fortement dans le SHM et propose maintenant des produits visant au suivi de l’intégrité des structures béton par analyse vibratoire. La mise en œuvre industrielle des systèmes SHM pose toutefois la question de leur certification. Le cas du CVM est, à ce titre, assez emblématique puisque la procédure de certification par la FAA a pris plusieurs années, notamment parce qu’il n’y a pas encore aujourd’hui de méthodologie établie pour quantifier et garantir les performances d’un système SHM. Pour pallier ce manque un groupe de travail dédié s’est constitué en 2008 au sein de la SAE International : l’Aerospace Industry Steering Committee on Structural Health Monitoring and Management (AISC-SHM). En génie civil , la simulation et la validation numérique des systèmes SHM demeure un enjeu majeur. On ne saurait détruire tout ou partie d’une éolienne ou d’un pont pour vérifier et qualifier à grande échelle la conséquence de cette dégradation dans, par exemple, la variation de ses modes propres. Il y a donc encore de fort enjeux et de fortes attentes en matière de modélisation, de méthodologie de simulation et de validation des systèmes SHM. Un travail technologique et scientifique demeure considérable mais, à l’instar des exemples donnés ci-dessus, le monde industriel s’empare du sujet et ce, parfois, collectivement. Citons, par exemple, la COFREND (Confédération Française pour les Essais Non Destructifs) dont le pôle scientifique c’est donné pour mission d’unir ses membres autour du SHM en vue de structurer la filière SHM au niveau national.
Les réseaux de capteurs sans fil
Les sciences et techniques de l’électronique, de l’informatique industrielle et des télécommunications permettent, désormais, de proposer des réseaux de noeuds de capteurs sans fil (Wireless Sensor Network : WSN) tout à fait pertinents pour les applications du SHM. L’intégration de ces WSN dans les systèmes SHM est souvent avantageuse d’un point de vue financier. Dans le domaine du Génie Civil par exemple, il est très régulièrement fait appel à des techniques de surveillance dans le cadre d’appels d’offre de surveillance renforcée des structures. Ces marchés de surveillance ont des fourchettes typiques de 100 ke à 600 ke dont la part matérielle (i.e. achat de capteurs et diverses fournitures) demeure marginale par rapport à leur installation, au câblage et à leur exploitation. Aussi toute démarche permettant de rendre ces systèmes sans fil (i.e. éviter de longues et coûteuses câbleries) et assurant une surveillance continue (c’est-à-dire y compris entre deux campagnes physiques d’auscultation) représente des gains financiers considérables.
L’utilisation des WSNprésente aussi de nombreux challenges, et plus particulièrement dans le domaine du SHM ou la fréquence d’échantillonnage, la bande passante et la puissance de calcul nécessaires peuvent être élevés [19]-[21]. Dans [22], [23], plusieurs plateformes de WSN pouvant être utilisées pour le SHM sont décrites. Pour toutes ces plateformes, les enjeux sont typiquement les mêmes : les noeuds de capteurs doivent être fiables et disposer de ressources de calcul suffisantes pour pouvoir effectuer une partie du traitement des échantillons récoltés; la couche radio et le protocole de communication utilisé ainsi que la topologie de réseau doivent permettent une bande passante suffisante par rapport à la fréquence d’échantillonnage des capteurs; la consommation énergétique des noeuds doit être minimisée du fait de leur autonomie.
Mais outre ces dimensions assez généralistes, l’étude de cas d’application des WSN dans le contrôle de santé des structures fait émerger d’autres enjeux moins souvent abordés dans la littérature tels que : le placement optimal de capteurs pour minimiser leur nombre, ou leurs communications, tout en ayant accès à l’intégralité de l’information nécessaire au diagnostic de la structure; le vieillissement métrologique ou la confiance dans la qualité métrologique des données produites par un capteur après des mois et des années; la synchronisation des noeuds d’un réseau de capteurs, dont il est question dans cette thèse. Mais avant d’aborder la problématique de la synchronisation il faut d’abord définir ce qu’est un étalon de fréquence et comment est compté le temps dans un noeud de capteurs.
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Table des matières
1 Introduction
2 Contrôle de santé des structures et réseaux de capteurs
2.1 Contrôle de santé des structures
2.1.1 Définition
2.1.2 Exemples industriels
2.1.3 Les réseaux de capteurs sans fil
2.2 Etalon de fréquence et oscillateur à quartz
2.2.1 Etalon atomique, TAI et UTC
2.2.2 L’Oscillateur à Quartz
2.2.3 Types d’oscillateurs à quartz
2.3 Synchronisation des noeuds de capteurs
2.3.1 Synchronisation sans-fil par échanges de paquets
2.3.2 Synchronisation avec les normes IEEE 802.11 et IEEE 802.15.4
2.3.3 Synchronisation par GNSS
2.3.4 Fréquence de synchronisation
2.4 Conclusion
3 Conception et validation d’une architecture de noeud de capteurs pour l’évaluation hors ligne de stratégies de synchronisation
3.1 Description de l’architecture des noeuds
3.1.1 Architecture du noeud de capteurs
3.1.2 Calcul des horodatages
3.1.3 Architecture de l’unité d’horodatage
3.2 Validation des noeuds .
3.2.1 Validation de l’unité d’horodatage
3.2.2 Validation des noeuds avec synchronisation GPS
3.3 Erreurs de synchronisation du récepteur GPS
3.3.1 Bruit GPS
3.3.2 Filtrage du signal PPS
3.3.3 Evaluation des filtres
3.4 Conclusion
4 Évaluation en post-traitement de la stratégie de synchronisation cyclique par GPS
4.1 Synchronisation périodique par GPS
4.2 Modélisation
4.2.1 Modèle d’horloge
4.2.2 Prédiction de l’état pendant la période d’apnée
4.3 Filtrage de Kalman
4.3.1 Filtrage de Kalman avec récepteur GPS allumé
4.3.2 Filtrage de Kalman avec extinction périodique du récepteur GPS
4.4 Évaluation expérimentale des modèles
4.4.1 Évaluation de l’impact sur les horodatages
4.4.2 Cas particulier de la datation a posteriori
4.5 Conclusion
5 Conclusion
