Soutenance mémoire
Pendant ces dernières années, et avec l’évolution technologique, les entreprises de l’industrie ferroviaire se sont intéressées à intégrer les solutions sans fil dans leurs systèmes, pour proposer de nouvelles applications et fonctionnalités afin d’augmenter les performances en termes de sécurité, de capacité, de confort et d’aide à la décision. Ces solutions sont mises en place à bord des trains et au niveau de l’infrastructure. Les technologies déployées diffèrent selon le contexte et l’application, et le défi reste de trouver le compromis pour proposer la solution la plus optimale. Dans une vision globale, les solutions sans fil permettent de faire communiquer les objets distants sans avoir besoin de câbles et sans une intervention humaine pour traiter des données, prendre des décisions, ou envoyer des informations et des commandes. Ces fonctionnalités rendent ces objets « intelligents » dans le sens où ils sont capables d’opérer de manière autonome. Les solutions sans fil offrent plusieurs avantages dans le ferroviaire en terme de mobilité et de flexibilité pour la récupération de l’information, par exemple, une facilité de gestion qui est nécessaire pour changer et déplacer un wagon d’un train à l’autre, et une souplesse d’installation permettant d’adapter la mise en place en fonction des besoins et des contraintes. Ainsi, ces solutions offrent un coût d’installation qui reste avantageux par rapport aux réseaux câblés. Le « sans-fil » est aussi une solution évolutive, offrant une facilité d’extension ou de restriction qui permet d’avoir en général la couverture correspondant aux besoins réels. Le milieu ferroviaire est un environnement riche en sources de perturbations électromagnétiques. En effet, la cohabitation au sein de l’environnement ferroviaire de systèmes fonctionnant sur des fortes puissances et des systèmes de communication et de contrôle-commande à faible tension, rend ce milieu très sujet à des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM). Les équipements ferroviaires peuvent aussi être soumis à des perturbations électromagnétiques extérieures à cet environnement, notamment à proximité des émetteurs de signaux RF situés dans le voisinage de l’infrastructure ferroviaire [Slim09]. Tous ces facteurs, rendent la communication par onde radio entre wagons plus complexe. En outre, plusieurs phénomènes physiques interviennent dans le canal de propagation en milieu ferroviaire. La présence des surfaces métalliques des wagons induit des réflexions et des diffractions de l’onde électromagnétique, et donc la dispersion de la puissance du signal. C’est dans ce cadre que s’inscrit le projet de cette thèse. En effet, l’objectif est de proposer une communication sans fil entre wagons de fret, afin d’assurer leur suivi et de récupérer les informations associées et de les transmettre vers un point central comme la locomotive. Le but est d’identifier la technologie la plus prometteuse pour assurer cette communication en prenant en considération les contraintes de l’environnement ferroviaire.
Contexte des Systèmes de Transport Intelligent ferroviaire
Dans ce domaine du transport ferroviaire de marchandises (fret), l’acheminement en temps et en heure doit être la préoccupation première d’une entreprise ferroviaire. Il est également nécessaire de bien identifier les wagons sensibles (transportant de la matière dangereuse, des denrées périssables, …), et d’avoir des informations directement liées aux wagons (contenu, poids, dimensions, localisation, …) utiles à la gestion logistique et à la composition des trains. Un dialogue entre les wagons et la locomotive et/ou avec l’infrastructure permettra de collecter les informations de chaque wagon par un point central, afin d’assurer la traçabilité vers le poste de gestion logistique. Ce dispositif pourra en plus être utilisé pour améliorer la gestion des flux logistiques, notamment en identifiant les coupons de wagons ne devant pas être séparés. Ces wagons doivent être suivis pour éviter qu’ils ne soient isolés et par conséquent, vérifier l’intégrité du train avant le roulement. La plupart des projets et travaux de recherche réalisés aujourd’hui dans le domaine ferroviaire sur les trains de voyageurs, ont comme objet de garantir plus de confort et d’attractivité à leurs clients. Assurer le service d’internet pour les voyageurs était l’objectif de plusieurs projets. En revanche, l’évolution de la 4G et bientôt la 5G, offrant cela, les objectifs s’orientent plus vers des besoins en terme de sécurité et de gestion logistique, ce qui reste primordial bien évidemment pour les trains de fret. Le ferroviaire joue un rôle très important dans le transport de marchandises. Les besoins en termes de fiabilité des applications mises en place et la demande de l’implémentation de nouveaux services ne cessent de croître. Par conséquent, des mesures de sécurité, de contrôle et de logistique sont de plus en plus nécessaires. L’introduction de nouvelles approches pour un transport plus efficace et plus durable, et en particulier dans le fret ferroviaire, constitue depuis 25 ans un volet essentiel de la politique de l’Union Européenne [Tfue16]. Un financement à hauteur de 28 milliards d’euros entre 2007 et 2013 devait contribuer à développer le transport de marchandises. Globalement, la performance constatée reste insuffisante, tandis que la position du transport routier s’est renforcée. Les transports de fret par voie ferroviaire et l’usage du multimodal connaîtront une progression à moyen et long terme sur les longues distances [Data16]. A ce jour, les offres d’exploitation ferroviaire sont encore marginales et ne représentent pas une alternative appropriée pour les transporteurs et organisateurs de transport surtout en terme de réglementation et gestion logistique. Actuellement en France, et selon les statistiques publiés en 2016 par le commissariat général au développement durable, le transport de marchandises dangereuses par chemin de fer a progressé de 12,0 % en 2015 et s’est établi au niveau de 5,4 milliards de tonnes-kilomètres. La part de cette catégorie de transport dans l’ensemble du fret ferroviaire s’est élevée à 16 %. Le transport de matières liquides inflammables qui représente 59% du transport de marchandises dangereuses a augmenté de 10,2 % en 2015 [Data16]. Cette répartition est schématisée dans la figure suivante (figure I.1). Certes, ces statistiques accessibles sur [data16] datent de 2015, cependant elles permettent d’avoir une vision globale sur le marché du transport de marchandises en France.
Les travaux de recherche de cette thèse visent à proposer une solution intelligente et durable pour faciliter la gestion logistique des trains de fret. Les wagons de fret doivent être suivis et surveillés afin de garantir les exigences en terme de température, humidité etc. De plus, ces wagons doivent être à l’abri de personnes tierces, pour contrer tout risque potentiel. Dans la littérature, la plupart des travaux de recherche sur les transmissions sans fil dans le ferroviaire s’orientent vers des scénarios de communication radio entre le train et l’infrastructure tout le long des voies, tandis que quelques-uns considèrent les systèmes de transmission sans fil à bord du train. L’étude de différentes publications et projets menés nous permettra d’identifier les critères de choix de la technologie et justifier les orientations à prendre.
STI ferroviaire
Définition
Les Systèmes de Transport Intelligent (STI) reposent sur l’utilisation de technologies de l’information et de communication dans les systèmes de transport à bord des véhicules routiers et dans le ferroviaire [Rtsi12].
Les STI sont appliqués dans le ferroviaire pour :
✽ le développement de systèmes d’aide à la conduite : Les systèmes d’aide à la conduite permettent d’aider le conducteur à éviter une situation de risque, un accident et/ou à en minimiser les conséquences, des appels d’urgence, une assistance au freinage, des systèmes régulateurs de vitesse en sont des exemples.
✽ l’évaluation et l’amélioration de la sûreté de fonctionnement des systèmes ferroviaires : Des systèmes embarqués sont mis en place pour la surveillance du matériel roulant nécessaire pour la maintenance préventive.
✽ la gestion du trafic et du fret : Plusieurs services sont déployés pour gérer le trafic ferroviaire, par exemple, la gestion dynamique des voies, la gestion des incidents, la maîtrise des poids de wagons, le suivi des marchandises et de la matière dangereuse.
Limites de fonctionnement et déploiement
Les STI répondent à des besoins qui ne cessent de croître. En effet, avec l’évolution des techniques de communication à bas coût, plusieurs solutions sont présentées pour assurer la sécurité et améliorer les services proposés dans l’industrie ferroviaire. Certes, plusieurs avantages sont offerts par les STI, cependant, ils sont confrontés à diverses limites et freins à leur développement. La multiplication des acteurs intervenants, les différentes solutions proposées, les technologies adoptées ainsi que le manque d’interopérabilité des dispositifs existants constituent des exemples de ces limites [Trin12]. L’intégration de nouveaux services dans le milieu ferroviaire exige des expériences sur le terrain pour les valider. En effet, le milieu ferroviaire est un milieu particulier, riche en perturbations et exigeant au niveau de la sécurité, d’où la nécessité de tester les solutions en situation réelle pour étudier tous les aspects qui peuvent les impacter. En revanche, ces expériences en milieu réel sont difficilement accessibles. L’objectif de cette thèse est de proposer un système qui fonctionne dans l’environnement ferroviaire réel. En effet, nous prenons en compte dans notre étude les perturbations présentes dans le milieu ferroviaire et pouvant impacter la performance de la solution proposée. Ceci sera validé par des simulations et des campagnes de mesure.
Système de contrôle de la signalisation et de l’état de l’infrastructure
L’évolution des technologies de communication a permis de proposer un système sans fil de surveillance de la signalisation de chemin de fer et du contrôle de l’état des infrastructures [Liuk08]. Ce système propose une architecture, qui en temps réel, inspecte simultanément lestrains et l’infrastructure. L’ensemble du système est constitué d’une commande à distance et plusieurs unités de contrôle. Un ordinateur incorporant un émetteur-récepteur communique avec l’unité de contrôle la plus proche ce qui permet d’obtenir des données de toutes les unités de surveillance et d’envoyer les commandes (de contrôle) aux unités de contrôle. Ces dernières sont utilisées pour recueillir toutes sortes d’informations sur l’état des voies et la signalisation. Cette architecture peut être proposée pour un système qui communique en Wi-Fi, ZigBee ou Bluetooth.
Accès à Internet à bord des trains
Le Wi-Fi est mis en place depuis mai 2008 dans les trains Thalys (à destination de Paris, Bruxelles, Amsterdam et Cologne) pour offrir le service d’accès à Internet aux voyageurs. Ce confort est obtenu grâce à l’utilisation combinée d’une liaison satellite et d’un réseau Wi-Fi à terre. Néanmoins, l’inconvénient principal de cette liaison réside toutefois dans le faible débit effectif : 5 Mbit/s à partager entre les 360 personnes qui se trouvent dans une seule rame.
Notre étude bibliographique a montré que la communication sans fil entre les wagons a été proposée afin de permettre un accès à Internet à bord des trains au Japon [Mana10]. Dans ce système, le Wi-Fi est utilisé pour établir la connexion entre une station terrestre et le train. Des points d’accès Wi-Fisont déployés tout le long de la voie ferrée et forment ainsi une zone continue du réseau. Dans le train, le Wi-Fi-5 GHz est utilisé pour connecter des compartiments voisins, et le Wi-Fi-2.4 GHz est utilisé pour connecter des terminaux d’utilisateurs aux points d’accès installés sur le train. La technologie WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) a été aussi proposée dans le ferroviaire pour permettre d’augmenter le débit effectif à 18 Mbits/s au lieu des 5 Mbits/s fournis par le Wi-Fi. Cette solution était proposée dans le cadre du projet THDT [Zhan11]. Le projet THDT (Très Haut Débit dans les Trains), dont la structure est présentée dans la figure I.2, consiste à fournir du très haut débit par une voie terrestre hertzienne sur deux liaisons ferrées du Limousin. Le département Ondes et Systèmes Associés XLIM de l’université de Limoges a collaboré avec des partenaires industriels pour améliorer le confort dans lestrainslimousins. L’objectif est de permettre aux voyageurs d’utiliser leurs équipements personnels à bord, tout en ayant accès à des applications à haut débit.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I : Etat de l’art sur les STI et les systèmes de communication sans fil dans le ferroviaire
I.1. INTRODUCTION
I.2. CONTEXTE DES SYSTEMES DE TRANSPORT INTELLIGENT FERROVIAIRE
I.3. STI FERROVIAIRE
I.3.1. DEFINITION
I.3.2. LIMITES DE FONCTIONNEMENT ET DEPLOIEMENT
I.4. PROJETS ET ETUDES PORTANT SUR LA COMMUNICATION FERROVIAIRE
I.4.1. SYSTEME DE CONTROLE DE LA SIGNALISATION ET DE L’ETAT DE L’INFRASTRUCTURE
I.4.2. ACCES A INTERNET A BORD DES TRAINS
I.4.3. SYSTEMES DE SURVEILLANCE DE L’ETAT DE ROULEMENT
I.4.4. SYSTEME DE COMMUNICATION SOL-TRAIN
I.4.5. SYSTEMES BASEES SUR LA RFID
I.4.6. SYSTEME DE GESTION DE TRAFIC
I.4.7. SYSTEME DE CONTROLE DES TRAINS EN TEMPS REEL
I.4.8. SYSTEME DE SUIVI DE TRAINS DE MARCHANDISES
I.5. PROJETS EUROPEENS
I.5.1. TR@IN-MD (2006-2009)
I.5.2. CORRIDOR (2011-2014)
I.5.3. MARATHON (2011-2014)
I.5.4. CONCLUSION
I.6. ETUDE COMPARATIVE DES TECHNOLOGIES DE COMMUNICATION SANS FIL
I.6.1. LES SYSTEMES BASES SUR LES RESEAUX WPAN (WIRELESS PERSONAL AREA NETWORK)
I.6.1.1. Le Bluetooth : IEEE 802.15.1
I.6.1.2. WSN (Wireless Sensor Network): IEEE 802.15.4
I.6.1.3. RFID (Radio Frequency IDentification)
I.6.1.4. ULB (Ultra Large Bande)
I.6.2. LES SYSTEMES BASES SUR LES RESEAUX WLAN (WIRELESS LOCAL AREA NETWORK)
I.6.2.1. Wi-Fi (IEEE 802.11)
I.6.2.2. HIPERLAN (HIgh Performance Radio LAN)
I.6.3. LES SYSTEMES BASES SUR LES RESEAUX WMAN (WIRELESS METROPOLITAN AREA NETWORK)
I.6.4. LES SYSTEMES BASES SUR LES RESEAUX WWAN (WIRELESS WIDE AREA NETWORK)
1.6.4.1. GSM (Global System for mobile Communication)
1.6.4.2. GSM-R (GSM for Railway)
I.7. TECHNOLOGIE CHOISIE
I.8. CONCLUSION
Chapitre II : Etude du canal de propagation : Wagon- Infrastructure (W-I) et Wagon-Wagon (W-W)
II.1. CONCEPTS FONDAMENTAUX DE PROPAGATION
II.1.1 DEFINITION DU CANAL DE PROPAGATION
II.1.2 PROPAGATION EN ESPACE LIBRE
II.1.3 PROPAGATION EN ENVIRONNEMENT REEL
II.1.3.1 Phénomènes physiques intervenants dans la propagation d’une onde
II.1.3.2 Propagation par trajets multiples
II.1.4 EFFET DU DIAGRAMME DE RAYONNEMENT
II.1.4.1 Antenne monopôle
II.1.4.2 Antenne omnidirectionnelle biconique
II.1.4.3 Antenne cornet double-ridge: Horn
II.1.4.4 Antenne Patch
II.2. MODELES DE CANAL EXISTANTS : EN OUTDOOR
II.2.1 MODELE DE CHUANG
II.2.2 MODELE A DEUX RAYONS
II.2.3 MODELE DE PAINTER
II.3. ENVIRONNEMENT FERROVIAIRE ET SES EXIGENCES
II.3.1 TYPES DE VEHICULES DE FRET
II.3.2 POSITIONNEMENT DES MODULES COMMUNICANTS
II.3.2.1 Communication Wagon-Infrastructure
II.3.2.2 Communication Wagon-Wagon
II.4. CONTRAINTES ET PERTURBATIONS
II.4.1. EFFET DOPPLER
II.4.2. CONDITIONS CLIMATIQUES
II.4.3. POUSSIERES
II.5. CONCLUSION
Chapitre III : Performances de la solution proposée dans l’environnement de propagation
III.1. STANDARD ZIGBEE
III.1.1. ARCHITECTURE
III.1.2. TOPOLOGIE
III.1.3. COUCHE PHY
III.1.4. COUCHE MAC
III.1.5. PRESENTATION DU RESEAU ZIGBEE DEPLOYE
III.2. ETUDE DE LA PROPAGATION WAGON-INFRASTRUCTURE
III.2.1. CARACTERISATION DE LA PROPAGATION A 2.4 GHZ EN ESPACE LIBRE
III.2.2. CARACTERISATION DE LA PROPAGATION DU SIGNAL ZIGBEE EN ESPACE LIBRE
III.2.3. CARACTERISATION DE LA PROPAGATION EN PRESENCE DE CONTENEURS
III.2.4. POSITIONNEMENT DES ANTENNES
III.2.5. CONCLUSION
III.3. ETUDE DE LA PROPAGATION WAGON-WAGON
III.3.1. CARACTERISATION DE LA PROPAGATION ENTRE VEHICULES
III.3.2. POSITIONNEMENT DES ANTENNES POUR UNE PROPAGATION ENTRE DE VEHICULES
III.3.3. POSITIONNEMENT DES ANTENNES POUR UNE PROPAGATION ENTRE CONTENEURS
III.3.4. CONCLUSION
III.4. CONCLUSION
CONCLUSION
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