Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
1
Système embarqué de génération d'un signal de localisation d'un véhicule
ferroviaire
L'invention a pour domaine celui des systèmes embarqués de génération d'un
signal de localisation d'un véhicule ferroviaire du type comportant :
- une antenne comportant une première boucle et une seconde boucle ayant des
diagrammes de rayonnement respectifs différents, les première et seconde
boucles étant
respectivement propres à générer des premier et second courants lors du
passage de
l'antenne au-dessus d'une balise adaptée, située sur la voie en une position
connue ; et,
- une chaîne électronique de traitement conçue pour générer un signal de
localisation à partir desdits premier et second courants.
Le document EP 1 227 024 B1 divulgue un système du type précédent comportant
une antenne destinée à être embarquée à bord d'un train de manière à coopérer
avec
une balise disposée sur la voie, le centre géométrique de la balise ayant une
position
géographique connue.
L'antenne comporte deux boucles planes superposées l'une sur l'autre dans un
plan sensiblement horizontal.
La première boucle est simple. Elle est constituée d'un fil métallique formant
une
spire simple, c'est-à-dire ne comportant aucune torsade. Cette première boucle
a
sensiblement la forme d'une ellipse, dont le grand axe est orienté selon la
direction
longitudinale de déplacement du train.
La seconde boucle en 8 est constituée d'un fil métallique formant une
spire
torsadée sur elle-même. Le centre géométrique de la seconde boucle, qui est le
point
d'entrecroisement du fil sur lui même, coïncide avec le centre géométrique de
la première
boucle et constitue le centre de l'antenne. L'axe de symétrie de la seconde
boucle selon
la grande dimension de celle-ci est orienté selon l'axe longitudinal de
déplacement du
train.
Au cours du déplacement du train, l'antenne passe au-dessus de la balise et
traverse un champ magnétique généré par celle-ci. Ce champ magnétique induit
un
premier courant électrique dans la première boucle et un second courant
électrique dans
la seconde boucle. Lorsque les courants induits sont détectables, on dit que
l'antenne est
en contact de la balise.
Le signe de l'intensité du courant induit dans une boucle, aussi dénommé la
phase de ce courant induit, évolue en fonction de la position de l'antenne
par rapport au
centre de la balise.
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
2
Puisque les première et seconde boucles ont des formes différentes, elles
possèdent des diagrammes de rayonnement différents. De ce fait, l'évolution de
la phase
du premier courant induit est différente de celle de la phase du second
courant induit.
L'antenne est équipée d'une chaîne électronique de traitement conçue pour
suivre
l'évolution de l'amplitude du premier courant par rapport à une valeur seuil
et l'évolution
de la différence entre les phases des premier et second courants induits
lorsque l'antenne
est déplacée au-dessus de la balise. Cette chaîne génère en sortie un signal
de
localisation dont l'instant d'émission indique le passage du centre de
l'antenne à l'aplomb
du centre de la balise.
La précision fonctionnelle de la chaîne de traitement est telle que le signal
de
localisation est émis à +/- 2 cm du centre de la balise.
Le document PCT/FR2010/050607 élargie l'enseignement du document précédent
en proposant l'utilisation d'une antenne comportant une troisième boucle plane
superposée aux première et seconde boucles simples et en 8 . Cette
troisième boucle
est constituée d'un fils métallique formant une spire comportant deux
torsades. Les deux
points d'entrelacement du fil sont disposés selon la direction longitudinale
de déplacement
du train. Le point milieu entre ces deux points d'entrelacement est situé
longitudinalement
légèrement en avant (ou en arrière) du centre de l'antenne.
Le digramme de rayonnement de cette troisième boucle lui est spécifique.
L'antenne est équipée d'une chaîne électronique de traitement conçue pour
suivre
la corrélation entre l'évolution de la différence entre les phases des premier
et second
courants, l'évolution de la différence entre les phases des premier et
troisième courants,
et l'évolution de la différence entre les phases des second et troisième
courants. Cette
chaîne génère en sortie un signal de localisation dont l'instant d'émission
indique le
passage du centre de l'antenne à l'aplomb du centre de la balise. La précision
fonctionnelle est également de 2 cm du centre de la balise. L'avantage de
cette antenne
à trois boucles réside dans l'augmentation du volume de contact de l'antenne
et de la
balise, ce qui permet de relâcher les contraintes d'installation de la balise
sur la voie et de
l'antenne sur le train.
La chaîne de traitement conçue pour effectuer cette corrélation et générer en
conséquence un signal de localisation, possède une précision fonctionnelle de
+/-2 cm
par rapport au centre de la balise.
L'information de localisation d'un véhicule ferroviaire sur le réseau est une
donnée
de fonctionnement importante. Pour l'exemple d'un métro, l'information de
localisation
permet de connaître la position précise d'une rame par rapport au quai d'une
station, de
3
manière à stopper la rame en face des portes de quai afin que les passagers
puissent
descendre de la rame et y monter.
Si l'information de localisation est erronée, l'ouverture des portes de quai
peut
s'effectuer alors que les portes de la rame ne se trouvent pas en face des
portes de quai.
Cela peut avoir des conséquences graves en termes de sécurité pour les
passagers.
D'autres exemples pourraient être décrits montrant que l'information de
localisation est une donnée sensible.
Or, l'art antérieur ne prend pas en compte la défaillance possible de la
chaîne de
traitement dans la génération du signal de localisation.
L'invention a donc pour but de pallier ce problème, en proposant notamment un
système sécuritaire de génération d'un signal de localisation, dans lequel un
dysfonctionnement dans la génération du signal de localisation est
identifiable, de sorte
que le signal de localisation généré soit fiable, c'est-à-dire conforme au
niveau de sécurité
SIL 4 défini par la norme I EC 61508.
A cette fin, l'invention a pour objet un système embarqué de génération d'un
signal
de localisation d'un véhicule ferroviaire du type précité, caractérisé en ce
que, ladite
chaîne étant une première chaîne conçue pour générer un premier signal de
localisation,
le système comporte une seconde chaîne électronique de traitement conçue pour
générer
un second signal de localisation à partir desdits premier et second courants,
et en ce que
le système comporte en outre un moyen d'arbitrage propre à générer un signal
de
localisation en sécurité en fonction desdits premier et second signaux de
localisation. La
première chaîne comporte une première partie analogique et une première partie
numérique, la seconde chaîne comporte, en tant que seconde partie analogique,
ladite
première partie analogique de la première chaîne, et une seconde partie
numérique
indépendante de ladite première partie numérique de la première chaîne.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le système comporte une ou
plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes
les
combinaisons techniquement possibles :
- lesdites première et seconde chaînes sont indépendantes l'une de l'autre ;
- lesdites première et seconde chaînes sont identiques l'une à l'autre ;
- le moyen d'arbitrage sélectionne, en tant que signal de localisation en
sécurité, le
signal arrivé temporellement en second parmi les premier et second signaux de
localisation émis temporellement en premier par chacune des première et
seconde
chaînes ;
- le moyen d'arbitrage prend en entrée une distance délivrée par un système
odométrique équipant ledit véhicule, et le moyen d'arbitrage sélectionne le
signal arrivé
CA 2864625 2019-03-01
4
temporellement en second s'il arrive en un point qui est à une distance du
point
d'émission du signal émis temporellement le premier inférieure à une distance
de
référence, notamment égale à 5 cm;
- l'antenne comporte une troisième boucle dont le diagramme de rayonnement est
différent de celui de la seconde boucle et de celui de la première boucle,
ledit signal de
localisation en sécurité permettant de localiser le véhicule par rapport à la
position connue
de la balise avec une précision de -2/+7 cm ;
- le système comporte une troisième chaîne électronique de traitement conçue
pour générer un troisième signal de localisation à partir desdits premier et
second
courants, ledit moyen d'arbitrage étant conçu pour sélectionner, en tant que
signal de
localisation en sécurité, le signal de localisation émis temporellement en
second parmi les
premier, second et troisième signaux de localisation émis temporellement en
premier par
chacune des première, seconde et troisième chaînes ;
- le moyen d'arbitrage est conçu pour déterminer, pour chacune des chaînes une
durée avant séparant l'instant de début de détection de la balise et
l'instant d'émission
du signal de localisation émis temporellement en premier par la chaîne
considérée, et une
durée après séparant l'instant d'émission du signal de localisation émis
temporellement en premier par la chaîne considérée et l'instant de fin de
détection de la
balise, et le moyen d'arbitrage comporte une moyen propre à identifier la
défaillance d'une
chaîne si le rapport de la durée avant sur la durée après est hors
d'un intervalle
prédéterminée autour de la valeur unité ;
- - la seconde partie numérique de la seconde chaîne est identique à la
première
partie numérique de la première chaîne ;
- le moyen d'arbitrage sélectionne, en tant que signal de localisation en
sécurité, le
signal de localisation arrivé temporellement en second parmi lesdits premier
et second
signaux de localisation émis temporellement en premier par chacune des
première et
seconde chaînes, à condition que la durée séparant l'émission des signaux de
localisation
émis temporellement en premier par chacune des chaînes soit inférieure à une
durée de
référence, notamment égale à 1,5 ps ;
- l'antenne comportant une troisième boucle dont le diagramme de rayonnement
est différent de celui de la seconde boucle et de celui de la première boucle,
ledit signal
de localisation en sécurité permet de localiser le véhicule par rapport à la
position connue
de la balise avec une précision de +/-5 cm, de préférence -F/- 2 cm ; et
- chaque chaîne comportant une partie analogique et une partie numérique, le
système comporte un moyen de test conçu pour appliquer un courant de référence
sur
CA 2864625 2019-03-01
5
une entrée d'une partie analogique et pour analyser des signaux de courant
numérisés
générés en sortie de ladite partie analogique ou d'une autre partie analogique
;
- le système respecte le niveau de sécurité SIL 4.
L'invention a également pour objet un véhicule ferroviaire comportant un tel
système embarqué de génération d'un signal de localisation.
L'invention a enfin pour objet un procédé de génération d'un signal de
localisation
d'un véhicule ferroviaire, comportant les étapes consistant à:
- générer des premier et second courants lors du passage d'une antenne au-
dessus d'une balise adaptée, ladite antenne étant embarquée à bord du véhicule
et
comportant une première boucle et une seconde boucle ayant des diagrammes de
rayonnement respectifs différents, ladite balise étant située sur la voie en
une position
connue ;
- générer un signal de localisation à partir desdits premier et second
courants ;
caractérisé en ce que, ledit signal de localisation étant un premier signal de
localisation émis par une première chaîne de traitement des premier et seconds
courants,
le procédé consiste à:
- générer un second signal de localisation à partir desdits premier et second
courants au moyen d'une seconde chaîne de traitement ; et,
- générer un signal de localisation en sécurité en fonction desdits premier et
second signaux de localisation,
la première chaîne comportant une première partie analogique et une première
partie numérique, la seconde chaîne comportant, en tant que seconde partie
analogique,
ladite première partie analogique de la première chaîne, et une seconde partie
numérique
indépendante de ladite première partie numérique de la première chaîne.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte une ou
plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes
les
combinaisons techniquement possibles :
- la génération d'un signal de localisation en sécurité consiste à
sélectionner, en
tant que signal de localisation en sécurité, le signal de localisation arrivé
temporellement
en second parmi les premier et second signaux de localisation émis
temporellement en
premier par chacune des première et seconde chaînes de traitement, à condition
que la
distance séparant le signal de localisation arrivé temporellement en second,
du signal de
localisation arrivé temporellement en premier, soit inférieure à une distance
de référence
prédéterminée ;
CA 2864625 2019-03-01
6
- le procédé comporte l'étape consistant à générer un troisième signal de
localisation à partir desdits premier et second courants au moyen d'une
troisième chaîne
de traitement ; et la génération d'un signal de localisation en sécurité
consiste à
sélectionner, en tant que signal de localisation en sécurité, le signal de
localisation arrivé
temporellement en second parmi les signaux de localisation émis temporellement
en
premier par chacune des trois chaînes de traitement respectivement ;
- la génération d'un signal de localisation en sécurité consiste à
sélectionner, en
tant que signal de localisation en sécurité, le signal de localisation arrivé
temporellement
en second parmi les signaux de localisation émis temporellement en premier par
chacune
des deux chaînes de traitement, à condition que la durée entre les instants
d'émission des
premier et second signaux soit inférieure à une durée de référence
prédéterminée ; et
- le procédé comporte en outre la vérification d'au moins une condition
supplémentaire permettant la détection d'une défaillance de la partie
analogique
commune aux première et seconde chaînes de traitement.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la
description qui
va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux
dessins
annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un système
embarqué de
génération d'un signal de localisation ;
- la figure 2 représente plusieurs graphes illustrant le fonctionnement d'un
premier
algorithme d'arbitrage mis en oeuvre par le système de la figure 1 ;
- la figure 3 représente un second mode de réalisation d'un système embarqué
de
génération d'un signal de localisation ;
- la figure 4 représente plusieurs graphes illustrant le fonctionnement d'un
second
algorithme d'arbitrage mis en oeuvre par le système de la figure 3;
- les figures 5A et 5B représentent plusieurs graphes illustrant la
détermination d'un
rapport permettant de détecter des défaillances dans le système de la figure
3;
- la figure 6 représente un troisième mode de réalisation d'un système
embarqué de
génération d'un signal de localisation ; et,
- la figure 7 représente plusieurs graphes illustrant le fonctionnement d'un
troisième
algorithme d'arbitrage mis en oeuvre par le système de la figure 6.
PREMIER MODE DE REALISATION
Les Figures 1 et 2 sont relatives à un premier mode de réalisation d'un
système de
génération d'un signal de localisation d'un véhicule ferroviaire destiné à
équipé un
véhicule tel qu'un train, un métro ou un tramway.
CA 2864625 2019-03-01
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
7
Le système 10 selon ce premier mode de réalisation comporte une antenne 20,
deux chaînes électroniques de traitement, respectivement 30 et 40, et un moyen
d'arbitrage 50.
L'antenne 20, comme l'antenne de l'art antérieur décrite précédemment,
comporte
deux boucles présentant des diagrammes de rayonnement différents : une
première
boucle simple 22 propre à délivrer un premier courant induit 11, et une
seconde boucle en
8 24 propre à délivrer un second courant induit 12.
Le système comporte une première chaîne électronique de traitement 30 conçue
pour délivrer un premier signal de localisation SL1 à partir des premier et
second courants
induits 11,12 qui lui sont appliqués en entrée.
La première chaîne 30 est identique à celle utilisée dans l'art antérieur.
La première chaîne 30 comporte une partie analogique 60 et une partie
numérique
70.
La partie analogique 60 comporte un premier circuit analogique 61 de mise en
forme du premier courant induit 11 et un second circuit analogique 62 de mise
en forme du
second courant induit 12.
Le premier circuit 61, conçu pour la génération d'un premier courant numérisé
Cl
à partir du premier courant induit 11, comporte successivement un filtre 63,
pour le filtrage
du courant induit 11 en sortie de la boucle correspondante ; un amplificateur
65, pour
l'amplification du courant filtré ; et un convertisseur analogique / numérique
67 pour
numériser le courant amplifié et générer, en sortie, un courant numérisé Cl.
Le second circuit 62, conçu pour la génération d'un second courant numérisé 02
à
partir du second courant induit 12, est identique au premier circuit. Il
comporte
successivement un filtre 64, un amplificateur 66 et un convertisseur
analogique /
numérique 68.
La partie numérique 70 de la première chaîne de traitement, conçue pour
générer
le premier signal de localisation SL1 à partir des premier et second courants
numérisés
Cl, C2 qui lui sont appliqués en entrée. La parie numérique 70 comporte
successivement
un comparateur de phase, un filtre, un comparateur de seuil à hystérésis et
une unité de
génération d'un signal de localisation.
Le comparateur de phase 71 compare les phases des premier et second courants
numérisés Cl, 02 qui lui sont appliqués en entrée, et génère en sortie un
signal de
différence de phase SD dont la valeur vaut +1 lorsque les phases des premier
et second
courants numérisés sont identiques, et -1 lorsque ces phases sont opposées.
Le filtre 72 prend en entrée le signal de différence de phase SD et génère en
sortie un signal de différence de phase filtré SDF, à valeur dans l'intervalle
[-1, 1]. Le filtre
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
8
a pour fonction d'effectuer une moyenne temporelle, sur une fenêtre temporelle
prédéfinie, du signal de différence de phase SD.
Le comparateur de seuil à hystérésis 73 prend en entrée le signal de
différence de
phase filtré SDF et le compare à une bande de valeurs interdites. Le
comparateur de seuil
génère en sortie un signal d'état SE qui passe de 0 à 1 lorsque le signal de
différence de
phase filtré SDF passe au-dessus de la plus grande valeur de cette bande ; et
de 1 à 0
lorsque le signal de différence de phase filtré SDF passe au-dessous de la
plus petite
valeur de cette bande.
Enfin, l'unité de génération d'un signal de localisation 74 prend en entrée le
signal
de premier courant numérisé Cl et le signal d'état SE et génère le signal de
localisation
SL.
L'unité 74 comporte un comparateur de seuil propre à comparer le niveau du
courant Cl à un niveau de référence et à générer un signal binaire de valeur
unité dès
que le courant Cl dépasse le niveau de référence. L'unité 74 comporte
également un
élément logique conçu pour générer un signal de localisation SL dès que les
signaux émis
par le comparateur de seuil de l'unité 74 et le comparateur de seuil à
hystérésis 73 tous
les deux égaux à l'unité. Le signal de localisation SL émis prend par exemple
la forme
d'une impulsion de valeur égale à l'unité.
Le système 10 comporte une seconde chaîne électronique de traitement 40 des
premier et second courants induits 11, 12 afin de générer un second signal de
localisation
SL2.
La seconde chaîne 40 est indépendante de la première chaîne de traitement 30.
La seconde chaîne 40 est identique à la première chaîne de traitement 30. Elle
comporte des circuits et des composants électroniques identiques à ceux de la
première
chaîne de traitement. C'est la raison pour laquelle, sur la Figure 1, les
éléments
identiques entre la première chaîne et la seconde chaîne sont identifiés par
les mêmes
chiffres de référence.
Le système 10 comporte un module d'arbitrage 50 conçu pour délivrer en sortie
un
signal de localisation en sécurité SLS. Ce module prend en entrée les premier
et second
signaux de localisation SL1, SL2 générés respectivement en sortie des première
et
seconde chaînes 30, 40, ainsi qu'une donnée de distance d parcourue depuis un
point de
référence délivrée par un système odométrique équipant le véhicule.
Plus précisément, le module d'arbitrage met en oeuvre un premier algorithme
consistant à sélectionner, en tant que signal de localisation en sécurité SLS,
le signal de
localisation arrivé temporellement en second parmi les premier et second
signaux de
localisation SL1, 5L2 émis temporellement en premier par chacune des première
et
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
9
seconde chaînes de traitement 30, 40, à condition que la distance D séparant
le signal de
localisation arrivé temporellement en second, du signal de localisation arrivé
temporellement en premier, soit inférieure à une distance de référence DO
prédéterminée.
La distance de référence DO est, de préférence, de 5 cm.
Même si les composants utilisés dans les deux chaînes 30 et 40 sont
identiques,
chacune des première et seconde chaînes possède sa propre sensibilité et son
propre
rapport signal sur bruit.
Puisque la génération, par une chaîne, d'un signal de localisation SL est
associée
à un changement de phase du second courant induit 12, c'est-à-dire à
l'annulation de
l'intensité de ce courant, la différence de sensibilité entre les deux chaînes
30 et 40 se
traduit par une distance parcourue par le véhicule entre les instants
d'émission des
premier et second signaux de localisation SL1, SL2.
En considérant que la vitesse du véhicule est sensiblement constante lorsque
l'antenne est en contact de la balise, cette distance correspond à un écart
temporel entre
les instants d'émission des premier et second signaux de localisation SL1,
SL2. Il est à
noter que cet écart temporel ne peut pas être borné car, plus la vitesse du
véhicule est
lente, plus l'écart temporel entre les instants d'émission des premier et
second signaux de
localisation est grand.
En fonctionnement normal, chaque chaîne 30, 40 fournit un signal de
localisation
avec une précision fonctionnelle de +/- 2 cm du centre de la balise.
Le signal de localisation étant émis lorsqu'il y a une variation de la
différence de
phase causée par une variation de la phase de l'intensité induite dans la
seconde boucle
en 8 de l'antenne, la précision fonctionnelle est exclusivement due au
rapport signal
sur bruit de la chaîne de traitement de cette intensité induite.
Mais, en cas de défaillance de l'une des deux chaînes, et comme il n'est pas
possible d'identifier la chaîne qui est défaillante, on ne sait pas quel est
le signal de
localisation à prendre en compte parmi les premier et second signaux de
localisation
émis.
Ainsi, le simple fait de dupliquer la chaîne de traitement, c'est-à-dire
d'assurer une
redondance dans la génération du signal de localisation, ne permet pas de
localiser le
véhicule par rapport au centre de la balise avec certitude, c'est-à-dire en
sécurité.
Les véhicules ferroviaires sont, de manière connue en soi, équipés d'un
système
odométrique qui comporte une roue phonique montée sur un essieu et dont le
mouvement permet de déterminer la distance parcourue d par le véhicule depuis
un point
de référence situé le long de la voie.
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
Pour détecter la chaîne défaillante et limiter l'impact de cette défaillance
sur la
fonction de localisation, selon ce premier mode de réalisation, l'odométrie du
véhicule est
utilisée afin de fournir au module d'arbitrage 50 une donnée de distance d
permettant
audit module de déterminer la distance parcourue par le véhicule entre les
instants
5
d'émission des signaux de localisation SL1 et SL2 émis temporellement en
premier par
chacune des deux chaînes.
La Figure 2 réunit plusieurs graphes illustrant le comportement du premier
algorithme dans différentes situations normale et de défaillance de l'une des
chaînes de
traitement, en l'occurrence la seconde chaîne de traitement 40.
10 Sur ces
graphes, dl représente le point au niveau duquel la première chaîne de
traitement 30 émet pour la première fois un premier signal de localisation SL1
; d2
représente le point au niveau duquel la seconde chaîne de traitement 40 émet
pour la
première fois un second signal de localisation SL2 ; et dO représente le point
qui est
distant du signal émis temporellement en premier de la distance de référence
DO.
Le graphe G1 représente l'intervalle spatial à l'intérieur duquel l'antenne
est en
contact avec la balise. Le centre géométrique de la balise est identifié par
la référence C.
Le graphe G2, illustre un fonctionnement normal du système. Sur ce graphe, le
signal de localisation arrivé temporellement en premier est le premier signal
SL1 et le
signal de localisation arrivé temporellement en second est le second signal
SL2. Le
second signal SL2 est émis en d2 avant le point dO. Ainsi, le module 50
sélectionne, en
tant que signal de localisation en sécurité SLS, le second signal SL2. Sur les
figures, on a
encerclé le signal sélectionné en tant que signal de localisation en sécurité
par le module
de sélection. On constate que le point d2 est à l'intérieur d'un intervalle [-
2 cm ; + 7 cm]
autour du point C.
Pour les graphes suivants, la seconde chaîne 40 est défaillante. Pourtant,
cela n'a
pas de conséquence car un signal de localisation en sécurité SLS est délivré
par le
système 10. Ce signal de localisation en sécurité est acceptable au sens où il
permet une
localisation correcte du véhicule par rapport à la balise dans l'intervalle [-
2 cm ; + 7cm]
autour du point C.
Le graphe G3 représente le cas où le second signal de localisation SL2 arrive
trop
tard par rapport à la précision fonctionnelle intrinsèque d'une chaîne, c'est
à dire de +/- 2
cm par rapport au point C. Il est pourtant sélectionné en tant que signal de
localisation en
sécurité SLS par le module d'arbitrage 50, car le point d2 est à moins de 5 cm
du point
dl.
Le graphe G4 représente le cas où le second signal de localisation SL2 arrive
trop
tôt par rapport à la précision fonctionnelle intrinsèque d'une chaîne. Dans ce
cas, le signal
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
11
émis temporellement en premier est le second signal SL2. Le premier signal SL1
arrivé
temporellement en second, est alors sélectionné en tant que signal de
localisation en
sécurité SLS par le module d'arbitrage 50, car le point dl est à moins de 5 cm
du point
d2.
Le graphe G5 représente le cas où le second signal de localisation SL2 est
émis
plusieurs fois, la première fois trop tôt par rapport à la précision
fonctionnelle intrinsèque
d'une chaîne. Dans ce cas, le signal émis temporellement en premier est le
second
signal. Le premier signal SL1 qui est arrivé temporellement en second est
alors
sélectionné en tant que signal en sécurité SLS par le module d'arbitrage 50,
car le point
dl est à moins de 5 cm du point d2.
Pour les graphes suivants, la seconde chaîne 40 est défaillante. Cette
défaillance
est identifiable de sorte qu'aucun signal de localisation en sécurité SLS
n'est délivré par le
système.
Le graphe G6 représente le cas où le second signal de localisation SL2 arrive
trop
tard par rapport à la précision fonctionnelle intrinsèque d'une chaîne. Bien
que le second
signal soit le signal émis temporellement en second, aucun signal de
localisation en
sécurité n'est émis par le module d'arbitrage, car le point d2 est au-delà du
point dO
distant de dl de 5 cm.
Le graphe G7 représente le cas où le second signal de localisation SL2 arrive
trop
tôt par rapport à la précision fonctionnelle intrinsèque d'une chaîne. Bien
que le premier
signal SL1 soit arrivé temporellement en second, aucun signal de localisation
en sécurité
n'est émis par le module d'arbitrage, car le point dl est au-delà du point dO
distant de 5
cm du point d2.
Enfin, le graphe G8 représente le cas où le second signal de localisation SL2
arrive plusieurs fois, la première fois trop tôt par rapport à la précision
fonctionnelle
intrinsèque d'une chaîne. Le premier signal SL1 pourtant arrivé temporellement
en
second n'est pas sélectionné en tant que signal en sécurité SLS par le module
d'arbitrage
50, car le point dl est au-delà du point dO distant de 5 cm du point d2.
Le graphe G9 représente le cas où la seconde chaîne 40 ne délivre aucun second
signal de localisation SL2. Aucun signal de localisation en sécurité SLS n'est
alors émis
par le module d'arbitrage 50.
Ainsi, par la mise en uvre du premier algorithme, le système 10 génère un
signal
de localisation en sécurité permettant de localiser le véhicule avec une
précision de [¨ 2
cm ; +7 cm] par rapport au centre C de la balise avec une fiabilité de niveau
SIL 4.
Pourtant, cette précision n'est pas assurée lorsque l'essieu sur lequel est
montée
la roue phonique du système d'odométrie est un essieu moteur et/ou freiné. Les
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
12
glissements, en traction ou en freinage, de cette roue de l'essieu engendrent
une
incertitude sur la distance réellement parcourue par le véhicule entre les
instants
d'émission des premiers et seconds signaux de localisation.
Les deux modes de réalisation suivants du système permettent avantageusement
de répondre à ce problème en proposant des systèmes qui n'ont pas besoin de la
donnée
de distance parcourue délivrée par l'odométrie pour générer un signal de
localisation en
sécurité.
SECONDE MODE DE REALISATION
Les figures 3, 4 et 5 sont relatives à un second mode de réalisation du
système.
Un élément de la figure 3 qui est identique à un élément de la figure 1 est
désigné
sur la figure 3 par le chiffre de référence utilisé sur la figure 1 pour
désigner cet élément
correspondant.
Comme représenté sur la figure 3, le système 110 selon ce second mode de
réalisation comprend une antenne 20 comportant des première et seconde
boucles,
respectivement simple 22 et en 8 , 24, conforme à l'art antérieur.
Le système comporte, en plus de première et seconde chaînes de traitement 30
et
40, identiques à celles du premier mode de réalisation, une troisième chaîne
électronique
de traitement 80 des premier et second courants induits 11 et 12,
respectivement par les
première et seconde boucles de l'antenne, pour générer un troisième signal de
localisation 5L3.
La troisième chaîne de traitement 80 est indépendante des première et seconde
chaînes 30 et 40.
La troisième chaîne de traitement 80 est identique à la première et à la
seconde
chaîne. En particulier, les circuits et les composants de la troisième chaîne
de traitement
sont identiques à ceux de la première et de la seconde chaîne. C'est la raison
pour
laquelle, les chiffres de référence utilisés pour désigner les composants des
première et
seconde chaînes ont été repris pour désigner les composants correspondants de
la
troisième chaîne.
Le système 110 comporte un module d'arbitrage 150 conçu pour générer un signal
de localisation en sécurité SLS à partir, uniquement, des premier, second et
troisième
signaux de localisation SL1, SL2 et SL3 émis respectivement par chacune des
trois
chaînes 30, 40 et 80.
Le second algorithme mis en oeuvre par le module d'arbitrage consiste à
sélectionner, en tant que signal de localisation en sécurité SLS, le signal de
localisation
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
13
arrivé temporellement en second parmi les signaux de localisation SL1, SL2,
SL3 émis
temporellement en premier par chacune des trois chaînes de traitement 30, 40,
80
respectivement.
Comme dans le premier mode de réalisation, ce second algorithme repose sur le
fait qu'une chaîne qui fonctionne correctement fournit un signal de
localisation à +/-2 cm
du centre C de la balise, ceci étant garanti par les diagrammes de rayonnement
différents
des boucles 22 et 24 de l'antenne.
La figure 4 réunit plusieurs graphes illustrant le comportement du second
algorithme mis en uvre par le module 150.
Sur ces graphes, dl représente le point au niveau duquel la première chaîne de
traitement 30 émet pour la première fois un premier signal de localisation SL1
; d2
représente le point au niveau duquel la seconde chaîne de traitement 40 émet
pour la
première fois un second signal de localisation SL2 ; et d3 représente le point
au niveau
duquel la troisième chaîne de traitement 80 émet pour la première fois un
troisième signal
de localisation SL3.
Le graphe Fi représente l'intervalle spatial à l'intérieur duquel l'antenne
détecte la
balise. Le centre géométrique de la balise est identifié par la référence C.
Le graphe F2, illustre un fonctionnement normal du système 110. Sur ce graphe,
le premier signal SL1 arrive temporellement en premier, le second signal SL2
arrive
temporellement en second et le troisième signal SL3 arrive temporellement en
troisième.
Le module 150 sélectionne, en tant que signal de localisation en sécurité SLS,
le second
signal SL2.
Pour les graphes suivants, la seconde chaîne 40 est défaillante. Pourtant,
cela n'a
pas de conséquence car un signal de localisation en sécurité est délivré par
le système
110. Ce signal de localisation en sécurité est acceptable au sens où il permet
une
localisation correcte dans l'intervalle de tolérance de +/- 2 cm par rapport
au centre C de
la balise.
Le graphe F3 représente le cas où le second signal SL2 arrive trop tard par
rapport à la précision fonctionnelle intrinsèque de +/- 2 cm par rapport au
point C. Le
module 150 sélectionne alors le troisième signal de localisation SL3 qui est
le signal arrivé
temporellement en second. Le point d3 est à moins de 2 cm du point C.
Le graphe F4 représente le cas où le second signal SL2 arrive trop tôt par
rapport
à la précision fonctionnelle intrinsèque. Le module 150 sélectionne alors le
premier signal
SL1 qui est le signal arrivé temporellement en second. Le point dl est à moins
de 2 cm du
point C.
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
14
Le graphe F5 représente le cas où le second signal SL2 est émis plusieurs
fois, la
première fois trop tôt par rapport à la précision fonctionnelle intrinsèque de
+/- 2 cm par
rapport au point C. Le premier signal SL1 est alors sélectionné en tant que
signal en
sécurité SLS par le module d'arbitrage 150, car il est effectivement le signal
de
localisation arrivé temporellement en second parmi les signaux de localisation
émis
temporellement en premier par chacune des trois chaînes. Le point dl est à
moins de 2
cm du point C.
Le graphe F6 représente le cas où la seconde chaîne 40 ne délivre aucun second
signal de localisation. Pourtant, le module 150 sélectionne le troisième
signal SL3 en tant
que signal de localisation en sécurité SLS, car il s'agit du signal émis
temporellement en
second. Le point d3 est à moins de 2 cm du point C.
Une fois la localisation par rapport au point C effectuée, il est nécessaire
d'identifier si une chaîne est défaillante afin de garantir le respect du
niveau de sécurité
SIL4. Le présent procédé possédant une tolérance à la panne d'une seule des
trois
chaînes, il repose donc sur l'identification d'une panne latente.
En particulier, les défaillances trop tard (graphe F3) ou trop tôt
peuvent
être détectées comme cela est illustré sur les figures 5A et 5B. On définit la
distance
avant Adi, comme la distance entre le point A de début de contact avec la
balise
(émission du signal SA) et le point di d'émission d'un signal de localisation
SLi par la ième
chaîne, et la distance après Bdi, comme la distance entre le point di
d'émission du
signal de localisation SLi et le point B de fin de contact avec la balise
(émission du signal
SB).
Contrairement à un fonctionnement normal (figure 5A), en fonctionnement
défaillant (figure 5B), la chaîne défaillante présente une forte dissymétrie
entre les
distances avant Adi et après Bdi, tandis que les deux autres chaînes
qui
fonctionnent correctement, présentent une plus ou moins grande symétrie entre
ces deux
distances.
Cela suppose que la vitesse du train soit stabilisée sur la balise. Ceci
représente
une majorité des cas étant donnée l'inertie d'un train et la petite taille
d'une balise (50 cm
environ).
Avantageusement, le module 150 comporte un moyen de détection de défaillance
151 propre à calculer une grandeur relative à la dissymétrie à partir du
signal de
localisation en sécurité SLS, des signaux de début SA et de fin de contact SB
avec la
balise et des signaux de localisation SLi émis temporellement en premier par
chacune
des chaînes. Ce moyen 151 génère un signal d'identification Sid de la chaîne
défaillante
dès que le rapport des distances avant Adi et arrière Bdi de la chaîne
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
correspondante est par exemple hors d'un intervalle prédéfini autour de la
valeur unité, de
préférence [0,8; 1,2].
TROISIEME MODE DE REALISATION
5
Les figures 6 et 7 sont relatives à un troisième mode de réalisation du
système.
Un élément de la figure 6 qui est identique à un élément de la figure 1 est
désigné
sur la figure 6 par le chiffre de référence utilisé sur la figure 1 pour
désigner cet élément
correspondant.
10 Comme représenté sur la figure 6, le système 210 selon ce troisième
mode de
réalisation comprend une antenne 20 comportant deux boucles, respectivement
simples
22 et en 8 , 24.
Le système comporte une première chaîne 230 et une seconde chaîne 240 de
traitement.
15 La première chaîne 230 comporte une partie analogique 260 et une
première
partie numérique 270.
La seconde chaîne 240 comporte, en tant que seconde partie analogique, la
portion analogique 260 de la première chaîne 230, et une seconde partie
numérique 370
indépendante de la partie numérique 270 de la première chaîne 230.
En d'autres termes, le système 210 comporte une partie analogique 260 commune
aux première et seconde chaînes 230 et 240, une première partie numérique 270
associée spécifiquement à la première chaîne 230 et une seconde partie
numérique 370
associée spécifiquement à la deuxième chaîne 240.
Les première et seconde parties numériques sont synchronisées entre elles par
un
moyen de synchronisation 280 adapté qui délivre le même signal d'horloge aux
composants 67, 68, 230 et 240.
Les circuits et les composants de la partie analogique 260 sont identiques à
ceux
représentés sur la figure 1.
Les circuits et les composants des première et seconde parties numériques 270,
370 sont identiques entre eux et à ceux représentés sur la figure 1. Les
chiffres de
référence ont été réutilisés en conséquence.
Le système 210 comporte un module d'arbitrage 250 conçu pour générer un signal
de localisation en sécurité SLS à partir, uniquement, des premier et second
signaux de
localisation SL1, SL2 émis respectivement par chacune des deux chaînes 230 et
240.
Un troisième algorithme, mis en oeuvre par le module d'arbitrage 250, consiste
à
sélectionner, en tant que signal de localisation en sécurité SLS, le signal de
localisation
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
16
arrivé temporellement en second parmi les signaux de localisation SL1, SL2
émis
temporellement en premier par chacune des deux chaînes de traitement 230 et
240, à
condition que la durée entre les instants d'émission des premier et second
signaux SL1 et
SL2 soit inférieure à une durée de référence TO. Cette durée de référence TO
est par
exemple de 1 s. Ceci représente 0,1 mm à 500 km/h.
Comme dans le premier mode de réalisation, cet algorithme repose sur le fait
qu'une chaîne qui fonctionne correctement fournit un signal de localisation à
+/- 2 cm du
centre C de la balise, ceci étant garanti par les diagrammes de rayonnement
des boucles
de l'antenne.
Ce troisième algorithme est fondé sur le fait que la différence de temps entre
les
instants d'émission d'un signal de localisation par deux chaînes indépendantes
l'une de
l'autre, dépend en fait exclusivement du gain et du rapport signal / bruit de
la partie
analogique de chacune de ces deux chaînes.
Dès lors, en utilisant une partie analogique commune aux deux chaînes et en
réalisant un traitement synchrone dans les parties numériques, la durée
séparant les
instants d'émission des deux signaux de localisation provenant respectivement
de
chacune des deux chaînes est bornée.
Le temps de synchronisation entre les deux parties numériques réalisé par le
moyen de synchronisation 280 définit la durée de référence TO.
La figure 7 réunit plusieurs graphes illustrant le comportement du troisième
algorithme mis en oeuvre par le module 250.
Sur ces graphes, dl représente le point au niveau duquel la première chaîne de
traitement 230 émet pour la première fois un premier signal de localisation
SL1 ; d2
représente le point au niveau duquel la seconde chaîne de traitement 240 émet
pour la
première fois un second signal de localisation 5L2.
Le graphe El représente l'intervalle spatial à l'intérieur duquel l'antenne
détecte la
balise. Le centre géométrique de la balise est identifié par la référence C.
Le graphe E2, illustre un fonctionnement normal du système 210. Sur ce graphe,
le premier signal SL1 arrive temporellement en premier, le second signal SL2
arrive
temporellement en second. La durée séparant les premier et second signaux de
localisation est inférieure à la durée de référence TO. Le module 250
sélectionne, en tant
que signal de localisation en sécurité SLS, le second signal SL2.
Pour les graphes suivants, la seconde chaîne 240 est défaillante. Aucun signal
de
localisation en sécurité SLS n'est alors délivré par le système 210.
Le graphe E3 représente le cas où le second signal SL2 arrive trop tard par
rapport à la précision fonctionnelle intrinsèque de +/- 2 cm par rapport au
point C. La
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
17
durée séparant les premier et second signaux de localisation SL1 et SL2 est
supérieure à
la durée de référence TO. Le module 250 ne sélectionne alors aucun des signaux
de
localisation.
Le graphe E4 représente le cas où le second signal SL2 arrive trop tôt par
rapport
à la précision fonctionnelle intrinsèque. La durée séparant les premier et
second signaux
de localisation SL1 et SL2 est supérieure à la durée de référence TO. Le
module 250 ne
sélectionne alors aucun des signaux de localisation.
Le graphe E5 représente le cas où le second signal de localisation SL2 est
émis
plusieurs fois, la première fois trop tôt par rapport à la précision
fonctionnelle intrinsèque.
La durée séparant les premier et second signaux de localisation SL1 et SL2 est
supérieure à la durée de référence TO. Le module 250 ne sélectionne alors
aucun des
signaux de localisation.
Le graphe E6 représente le cas où la seconde chaîne 240 ne délivre aucun
second signal de localisation. Le module 250 n'émet aucun signal de
localisation en
sécurité.
VARIANTE DE REALISATION (ANTENNE 3 BOUCLES)
En variante, les premier, second et troisième modes de réalisation sont
adaptés
pour un fonctionnement avec une antenne comportant trois boucles possédant des
diagrammes de rayonnement différents les unes des autres, comme par exemple
l'antenne décrite dans le document PCT/FR2010/050607. L'homme du métier saura
comment adapter la partie analogique d'une chaîne de traitement afin qu'elle
génère un
signal de localisation qui tient compte des phases des premier, second et
troisième
courants induits dans chacune de ces trois boucles. En particulier, le signal
délivré par la
troisième boucle de l'antenne permet d'éviter à avoir à comparer le signal
délivré par la
première boucle par rapport à un seuil comme cela est réalisé dans les
variantes du
système où l'antenne possède deux boucles.
ETUDE DES DEFAILLANCES POSSIBLES
Une analyse détaillée des défaillances possibles du système a été réalisée, de
manière à estimer la probabilité de l'émission d'un signal de localisation en
sécurité
erroné, en vue de l'homologation du système.
Ces défaillances possibles sont de trois types :
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
18
- selon un premier type de défaillance, la perte de la génération d'un courant
numérisé Ci en sortie du ième circuit analogique se traduit par l'application
d'un bruit
blanc gaussien en entrée de la partie numérique de la chaîne.
- selon un second type de défaillance, la perte de la génération d'un courant
numérisé Ci en sortie du ième circuit analogique se traduit par une diaphonie,
le ième
circuit recopiant le courant numérisé Ck généré par un autre circuit. Les
courants Ci et Ck
appliqués en entrée de la partie numérique de la chaîne sont alors fortement
corrélés.
- selon un troisième type de défaillance, un retard systématique introduit par
un
circuit analogique dans la génération du courant numérisé Ci correspondant.
Pour traiter ces défaillances possibles, dans une première alternative du
système,
celui-ci comporte un moyen de test (non représenté sur les figures) conçu pour
écarter
ces défaillances possibles de la partie analogique.
Le moyen de test est conçu pour effectuer périodiquement un test consistant à
appliquer, en entrée de chaque circuit, un courant de référence liRef à la
place du courant
li induit dans la boucle correspondante. Ce test consiste ensuite à analyser,
à la sortie de
chaque circuit, l'amplitude et le retard du courant numérisé CiRef
correspondant.
Pourtant, la réalisation périodique d'un test comporte deux désavantages :
- pour une défaillance du troisième type, le retard peut être significatif
uniquement
sur une bande de fréquences étroite qui ne serait pas détectable par le test à
cause de la
nature des premier et second courants de référence injectés ;
- le contact avec la balise peut être altéré si un test est réalisé alors que
l'antenne
passe au-dessus de la balise et empêchant la prise en compte des courants li
générés
par les antennes.
Pour ces raisons, une seconde alternative du système consiste à bloquer
l'émission du signal de localisation en sécurité SLS généré, lorsque une ou
plusieurs
conditions supplémentaires ne sont pas vérifiées.
Pour éliminer les défaillances du premier type, une condition supplémentaire
consiste à ne pas prendre en compte le signal de différence de phase filtré
SDF lorsqu'il
se situe dans un intervalle prédéfini centré sur la valeur O.
En effet, si par exemple, le second courant numérisé C2 correspond à un bruit
blanc gaussien, sa phase varie rapidement par rapport à celle du premier
courant
numérisé Cl, de sorte que la différence de phase SD1 ou SD2 vaut aussi souvent
-1 que
+1. Ainsi, la moyenne temporelle de la différence de phase entre les premier
et second
courants numérisés effectuée par le filtre 72 est proche de la valeur O.
On montre que les bornes de cet intervalle dépendent non seulement du niveau
de sécurité que l'on souhaite atteindre (10-9 pour le niveau SIL 4), mais
également de la
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
19
fréquence d'échantillonnage du filtre 72 utilisé. Les valeurs de la bande de
valeurs
interdite du comparateur de seuil à hystérésis 73 sont adaptées en
conséquence.
Par exemple, dans le cas du troisième mode de réalisation dans sa variante à
deux boucles (Figure 6), aucun signal de localisation en sécurité n'est émis
par le module
250, lorsque le signal de différence de phase filtré SDF1 ou SDF2 est compris
entre ¨0,56
et +0,56 pour une fréquence d'environ 13 MHz, et entre -0,28 et +0,28 pour une
fréquence d'environ 55 MHz.
En rejetant les situations dans lesquelles le signal de différence de phase
filtré
SDF1 ou SDF2 est proche de la valeur 0, les défaillances du premier type sont
écartées.
Les défaillances du second type, pour les variantes du système où l'antenne 10
comporte deux boucles, sont immédiatement détectées. En effet, elles
conduisent à un
signal de différence de phase filtrée SDF1 ou SDF2 égal à l'unité et ceci tout
au long du
contact de l'antenne avec la balise. Le comparateur 73 n'identifiant aucune
variation de ce
signal, il n'émet aucun signal. De la sorte, les défaillances du second type
sont écartées.
Les défaillances du second type (un circuit analogique reproduit le signal le
plus
puissant parmi les signaux générés par les deux autres circuits analogiques,
ou reproduit
les deux signaux générés par les deux autres circuits analogiques) peut
affecter les
variantes du système où l'antenne comporte trois boucles. Pour écarter ce type
de
défaillance, le module d'arbitrage est adapté pour mette en oeuvre une
contrainte
supplémentaire consistant, après avoir quitté le contact avec la balise, à
vérifier qu'a
effectivement été observée une séquence caractéristique des différences de
phases entre
les différentes paires de courants induits. A défaut, le signal de
localisation de sécurité
émis alors que l'antenne se trouvait au contact avec la balise, sera invalidé.
Cependant, pour écarter ce type de défaillance et afin d'éviter d'avoir à
réaliser la
vérification d'une contrainte après le passage de l'antenne au-dessus de la
balise, cette
vérification pouvant donc être réalisée plusieurs secondes après le passage du
centre de
l'antenne au-dessus du centre de la balise notamment dans le cas où la vitesse
du train
est faible, il est préférable de vérifier la contrainte selon laquelle les
courants des
première et troisième boucles de l'antenne ont moins de 20dB d'écart, qui peut
être
réalisée au moment où le centre de l'antenne se trouve à l'aplomb du centre de
la balise.
En cas de vérification positive, le signal de localisation en sécurité est
émis.
Enfin, l'étude des causes du troisième type de défaillances montre que:
- l'amplificateur 65, 66 ne peut retarder un signal que de quelques
microsecondes,
ce qui conduit à une erreur de localisation de quelques millimètres acceptable
compte
tenu de la précision fonctionnelle intrinsèque de +/- 2 cm par rapport au
centre de la
balise ;
CA 02864625 2014-08-14
WO 2013/135533 PCT/EP2013/054408
- le convertisseur analogique/numérique 67, 68 ne peut pas retarder un signal
au-
delà de quelques cycles d'horloge, soit moins d'une microseconde ;
- le filtre 63, 64 peut seul retarder le signal de manière significative.
Mais, on montre qu'un retard préjudiciable compte tenu de la précision
5 fonctionnelle intrinsèque, par exemple un retard de l'ordre de 350 j.is
correspond à une
distance de 5 cm à 500 km/h, ne peut être introduit que par un filtre
présentant une
structure particulière, caractérisée par une bande passante extrêmement
étroite. Une telle
bande passante nécessite l'utilisation de selfs et/ou de capacités dont
l'impédance est soit
très importante, soit très faible. Il suffit alors, en phase amont de
conception du filtre 63,
10 64 d'éviter ces impédances importantes ou faibles, pour garantir un
retard suffisamment
faible et de ce fait rejeter, par construction, les défaillances du troisième
type.
En conclusion, l'invention proposée permet :
- d'obtenir une information de localisation avec un niveau de sécurité élevé,
respectant le niveau SIL 4 ;
15 - d'obtenir une précision de ce signal de localisation en sécurité de +/-
2 cm avec
une antenne à deux boucles et de +/-2 cm avec une antenne comportant trois
boucles ;
- de ne plus utiliser l'odométrie pour obtenir un signal de localisation en
sécurité en
SIL4, et ainsi de mieux s'adapter à une traction répartie (patinage et
glissement des roues
donnant de fausses valeurs d'odométrie) ;
20 - de détecter une panne latente de l'une des chaînes.
