Développement d'une approche de 'Prognostics and Health Management' pour l'infrastructure ferroviaire

Development of a 'Prognostics and Health management' approach for the railway infrastructure

• Auteur / Autrice : Mehdi Brahimi
• Direction : Kamal Medjaher, Saïd Noureddine Zerhouni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 21/09/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Louise Travé-Massuyès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Dolgui, Antoine Tahan, Mohammed Leouatni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Grall

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transports ferroviaires

Maintenance conditionnelle

Mots clés libres

Diagnostic

Pronostic

Maintenance prédictive

Ferroviaire

Svm

Phm

Svm

Phm

Prognostics

Predictive maintenance

Railway

Diagnostics

Résumé

Le développement de nouveaux systèmes intelligents qui permettent de répondre aux besoins croissants en matière de transport et de disponibilité est un enjeu clé de compétitivité pour les différents acteurs de l’industrie ferroviaire. Dans ce contexte, le système captage de courant composé de la caténaire et du pantographe est un élément clé de l'infrastructure ferroviaire. En effet, un composent abîmé ou dégradé de la caténaire peut entraîner d'importants retards, endommager l'infrastructure et le matériel roulant, et engendrer d'importantes pertes financières pour l'exploitant ferroviaire. Dans ce cadre, des constructeurs ferroviaires tels que Alstom tentent de développer des solutions de maintenance modernes afin de gérer l’opérabilité des systèmes et d’assurer leurs disponibilités. Afin d’atteindre des objectifs de disponibilité, de fiabilité et de sécurité des systèmes, la démarche la plus étudiée actuellement est le « Prognostics and Health Management » (PHM). Dans cette thèse, la première contribution consiste à formaliser un processus de déploiement et de développement d’un système PHM adapté au contexte de l’infrastructure ferroviaire et plus particulièrement au système de captage de courant. La deuxième contribution de la thèse porte sur le diagnostic du système caténaire. La procédure de diagnostic proposée permet de détecter, d’identifier et de localiser différents modes de défaillance de la caténaire à partir des mesures de la force de contact. L’approche considérée est basée sur des machines à vecteurs de supports et la définition de descripteurs extraits de la force de contact. Les données utilisées pour la validation du diagnostic sont issus de simulation dans un premier temps, par la suite des essais en ligne ont permis de valider la méthode et de proposer une approche pour la mise en œuvre industrielle du diagnostic. Enfin, la dernière contribution concerne le développement d’une fonction de pronostic pour le fil de contact de la caténaire. Cette méthode est basée sur une l’utilisation de modèles physique d’usure du fil de contact et l’utilisation d’une approche de pronostic par filtre. Les performances de pronostic ont été évaluées en fonction de la pertinence de la décision de maintenance induite par le pronostic. Cette thèse a permis la mise en place de différentes approches pour le déploiement d’un système PHM pour la caténaire.

Developing intelligent systems that can meet the growing needs for transportation is a key competitiveness issue for the different stakeholders in the railway industry. In this context, the current collection system, consisting of the overhead contact line (catenary) and the pantograph, is a key element of the railway infrastructure. In fact, a damaged or degraded component of the catenary can cause significant delays, can damage the infrastructure and the rolling stock, and can cause significant financial losses for the railway operator. In this way, railway manufacturers such as Alstom are trying to develop modern maintenance solutions to manage the operability of systems and ensure their availability. In order to achieve objectives of system availability, reliability, and safety, the most currently studied approach is the "Prognostics and Health Management" (PHM). In this thesis, the first contribution consists in formalizing a process for the deployment and development of a PHM system regarding the specific context of the railway infrastructure, and more particularly the current collection system. The second contribution of the thesis deals with the diagnostics function for the overhead contact line system. The proposed diagnostics approach ensures the detection, the identification, and the localization of different failure modes of the catenary from contact force measurements. The considered approach is based on support vector machines (SVM) and specific features extracted from the contact force. The data used for the validation of the diagnostics procedure are derived from the simulation, afterward, inline data are used to validate the method and to propose an industrial deployment of the diagnostics approach. Finally, the last contribution concerns the development of a prognostics function for the catenary contact wire. This method is based on the use of wear models and filtering approaches. Prognostics performances were evaluated based on the relevance of the prognostics-based maintenance decision. This thesis allowed the implementation of different approaches for a PHM deployment for the catenary system.