Innovation. Comment anticiper l’usure des pantographes

Mieux vaut prévenir que guérir ! Cette règle vaut également pour le couple pantographe/caténaire, qui assure l’alimentation électrique des trains. Depuis quelques années, au Danemark, un dispositif – que l’on pourrait qualifier de révolutionnaire – est mis en œuvre pour détecter les usures de pantographes et anticiper leur évolution avant qu’elles n’endommagent la caténaire à son tour…

Au Danemark comme ailleurs, les arrachements de caténaires sont une des principales causes de perturbation du trafic ferroviaire sur les lignes électrifiées. Mais que ce soit sur le réseau dédié aux dessertes « S-tog » (RER) de Copenhague ou sur le réseau ferré national danois, une cause importante d’arrachement de la caténaire est en voie de disparition : l’usure
excessive des pantographes. Ceci grâce à un dispositif de vision industrielle nommé PantoSystem, de l’entreprise PantoInspect.
Comme son nom l’indique, PantoInspect s’est spécialisé dans l’inspection des pantographes. Ou plus précisément l’inspection automatique et en temps réel de l’archet du pantographe, qui réalise le captage lorsque ses bandes de frottement sont au contact de la caténaire. À chaque passage d’un train en traction électrique, une installation en surplomb de la caténaire réalise non seulement des mesures par scanner de la géométrie de l’archet de pantographe, mais aussi une inspection visuelle (image proche infrarouge) des archets des pantographes en contact avec la caténaire. Des mesures et observations qui permettent de connaître instantanément l’état des bandes de frottement et la géométrie des cornes d’archets, ainsi que le lacet de l’archet ou encore le soulèvement du pantographe. Et accessoirement la vitesse du train ! Des observations dont on peut par exemple déduire la pression mécanique exercée par le pantographe sur la caténaire. Autant de données qui contribuent à déclencher une alarme avant que l’usure trop forte d’un pantographe n’endommage la caténaire. Ou réciproquement.
L’idée est née en 2008. Une année noire pour le réseau
S-tog de Copenhague, avec une douzaine d’arrachements de caténaire. Des incidents dont la fréquence était d’autant plus élevée qu’ils ne concernaient que la partie du réseau équipée d’une caténaire 1,5 kV continu « classique » (de son côté, le tronc commun sous le centre de Copenhague, avec ses 30 trains par heure et par sens, est à l’épreuve de l’arrachement depuis qu’il est doté d’une « caténaire rigide » – alias profilé aérien de contact – tout comme le RER C sous le centre de Paris). Un incident caténaire tous les mois sur un réseau transportant 360 000 voyageurs par jour, c’en était trop pour Banedanmark, le gestionnaire danois des infrastructures ferroviaires. Ce dernier a alors chargé Image House, spécialiste local de la vision industrielle jusque-là plutôt connu pour ses dispositifs d’inspection des aliments, de développer cette fois un système d’inspection des pantographes. Un système unique en son genre car non seulement automatique et en temps réel, mais capable de fonctionner jusqu’à 180 km/h, vitesse pratiquée sur le réseau ferré classique danois.
Huit ans plus tard, ce système d’inspection des pantographes est non seulement au point, mais depuis 2012, il permet d’inspecter l’ensemble du parc de S-tog à intervalles fréquents (jusqu’à plusieurs fois par jour, selon les roulements assurés). Et PantoSystem est maintenant en cours de déploiement sur les grandes lignes danoises électrifiées en 25 kV 50 Hz. Avec des résultats probants : au cours de l’été 2015, le dispositif a permis de constater une usure répétée sur une centaine de pantographes différents, qui était en fait due à la caténaire.
En dehors du Danemark, cette solution intégrée, dont l’interface informatique peut être traduite dans la langue de l’utilisateur, a été installée en Australie. Le réseau de banlieue de Sydney, exploité par Sydney Trains, a été équipé en coopération avec l’équipementier local ART. PantoSystem fait également l’objet
d’essais en Autriche (avec ÖBB-Infrastruktur) et sur un réseau minier en Afrique du Sud.
Ancien nom du dispositif PantoSystem, PantoInspect est devenu une entreprise rassemblant une dizaine de salariés et ses moyens de test dans ses locaux à deux pas des voies de la gare centrale de Copenhague. Ce spin-off d’Image House (qui de son côté a été acquis en avril 2015 par Stemmer Imaging) ne cache pas son intention de placer sa solution dans d’autres pays, tant en Europe que plus loin, à condition de trouver des partenaires locaux. Avis aux entreprises intéressées…

Bénéfices pour l’infrastructure… et le matériel roulant

À la base, PantoSystem est destiné aux gestionnaires d’infrastructures ferroviaires, en tant que propriétaires des caténaires qui risquent d’être endommagées par un pantographe défectueux. D’autant plus que la solution implique une installation sur l’emprise ferroviaire. Ceci dit, les mesures réalisées concernent les pantographes et intéressent donc également l’exploitant du matériel roulant et le responsable de la maintenance de ce matériel.
Au Danemark, le client de PantoInspect est le gestionnaire d’infrastructures Banedanmark et ce dernier peut transmettre, à chacun des exploitants dont les trains ont été « flashés », les photos et données le concernant. Le responsable de la maintenance du matériel roulant peut ainsi prendre de son côté les mesures nécessaires avant que le pantographe soit trop endommagé. Un tel suivi, réalisé rame par rame, permet aussi de détecter les usures anormales (par exemple celles dues à un soulèvement inégal des deux frotteurs). Le bon côté de cette maintenance prédictive est qu’elle pourrait permettre d’accroître la durée de vie des bandes de frottement en carbone. Ainsi, le remplacement de ces bandes se ferait non plus en suivant un calendrier ou un planning kilométrique établi à l’avance, mais en fonction de l’évolution de l’usure, qui permet de prédire l’échéance à laquelle le seuil de remplacement sera atteint.

Un scan, une analyse et des alertes

Pour voir le dispositif PantoSystem à l’œuvre, rendons-nous dans la banlieue ouest de Copenhague, non loin de Glostrup. Suivant une longue ligne droite, les deux voies de la grande ligne vers Roskilde, électrifiée en 25 kV 50 Hz, filent parallèlement à la double voie dédiée au S-tog, sous caténaire 1,5 kV continu. C’est le pont oblique d’un saut-de-mouton en béton, sur lequel ne passent plus guère les trains, qui est utilisé comme support des deux dispositifs PantoSystem installés ici en quinconce. Pesant une demi-tonne, chaque dispositif, qui regroupe un scanner (entre 1,8 m et 2 m au-dessus de la caténaire) et deux à quatre caméras (proche infrarouge), surplombe une des deux voies de la grande ligne, orienté de façon à « voir arriver les trains » (qui au Danemark roulent à droite). Un détail pratique mais pas indispensable, le dispositif étant bidirectionnel. Mais pour être activés, il faut quand même que les capteurs du scanner soient prévenus à temps de l’arrivée du prochain train. Cette information peut être générée par des équipements sur la voie (compteurs d’essieux), au bord de la voie (RFID, radar) ou par la gestion des circulations ferroviaires. Différentes solutions peuvent également être mises en œuvre pour assurer l’identification du train.
Lorsque le train arrive enfin sous l’équipement, les capteurs le détectent, ainsi que l’archet, qui est alors scanné (deux capteurs pour les cornes, deux pour la bande). Puis trois lignes sont projetées, chacune par un laser, sur chaque bande de frottement, juste le temps de photographier ces bandes subtilement « surlignées ». Une photo en proche infrarouge est également prise, avec un coup de flash à diode pendant 15 microsecondes.
C’est dans la rapidité et la synchronisation de ces prises de vue de bonne qualité que se situe l’exploit. Car obtenir une image utilisable d’un pantographe sur un train en marche, dans presque toutes les conditions météorologiques (de -40 °C à +50 °C et jusqu’à 98 % d’humidité) et à toute heure, n’est pas une mince affaire et distingue PantoInspect de ses concurrents. Éprouvé à 140 km/h, le dispositif peut en fait fonctionner jusqu’à 180 km/h… c’est-à-dire 50 m/s vu par l’œil humain, ou encore 50 mm par millième de seconde vu par un appareil photo. Afin de ne pas avoir de flou de vitesse, la durée de l’exposition doit donc être très réduite, en pratique à une vingtaine de microsecondes.
Les données fournies par dispositif (scans et photos de l’archet) sont aussitôt transmises à un serveur central, qui analyse en moins de 10 secondes les informations afin de détecter les éventuels défauts ou parties endommagées sur les bandes de frottement. S’il ressort de l’analyse que l’on est en présence d’un grave défaut risquant d’endommager la caténaire à court terme, PantoSystem prévient automatiquement le gestionnaire d’infrastructure, qui peut ordonner à son tour au conducteur de la rame ou de la locomotive concernée de baisser le pantographe incriminé. Mais PantoSystem ne traite pas uniquement les situations ponctuelles : le dispositif gère également les évolutions entre les données successives observées sur chaque pantographe et permet d’anticiper les seuils d’alerte sur l’usure des bandes de frottement en carbone. Et la quantité de données ne fait pas peur au système, dont la capacité permet de traiter plus de 100 000 passages de trains !
Patrick LAVAL