Internet Industriel des Objets IIOT : Solutions de l'industrie 4.0 pour les chemins de fer et les voies aériennes du nouvel âge

Grâce à la fabrication automatisée, les secteurs des chemins de fer et des voies aériennes bénéficieront de l'efficacité, de la capacité et des coûts de l'Industrie 4.0.
Salle de contrôle des chemins de fer pour la programmation des trains
Il n'y a pas de voie établie pour le succès d'une technologie émergente, mais la création d'une feuille de route peut aider les industries ferroviaire et aéronautique à apporter un avenir plus numérique et connecté. La nécessité pour ces industries d'être intelligentes est là parce que l'industrie 4.0, ou la quatrième génération d'activité industrielle, garantit la fiabilité et la sécurité de ces secteurs. Grâce à l'automatisation de l'industrie manufacturière, ces secteurs bénéficieront de l'efficacité, de la capacité et des coûts de l'Industrie 4.0. La surveillance améliorée de l'état à l'échelle de l'industrie contribuera également à réduire la maintenance imprévue. Les deux secteurs sont constamment à la recherche d'améliorations pour offrir une expérience client meilleure et sécurisée.
Les systèmes de transport sont complexes en ce qui concerne la technologie et les opérations en raison de l'implication d'un large éventail d'acteurs humains, d'organisations et de solutions techniques. Il est nécessaire d'appliquer des systèmes informatiques intelligents pour l'exploitation et le contrôle de ces environnements complexes, tels que des systèmes informatisés de contrôle du trafic pour coordonner le transport aérien.
L'industrie 4.0 est activée par des systèmes intelligents et des solutions basées sur Internet. La maintenance est l'un des domaines d'application de l'auto-apprentissage, et les systèmes intelligents peuvent prédire les pannes et déclencher la maintenance en utilisant l'Internet des objets (IoT).
Fig.1: Douze capacités requises pour la réalisation de la vision Shift2rRail (Crédit: https://shift2rail.org)
Solution ferroviaire numérique
Le programme ferroviaire numérique se concentre principalement sur la technologie de signalisation numérique, qui vise à améliorer la sécurité et à accélérer la circulation des trains dans un réseau encombré. Si toutes les données des systèmes de signalisation, de matériel roulant et de contrôle du trafic passagers sont rassemblées sur une plateforme commune, l'ensemble du réseau pourra communiquer de manière transparente et instantanée. La clé de la numérisation est l'interopérabilité des systèmes tout en conservant une approche critique de la sécurité des données.
Les informations sur les services ferroviaires pourraient même être intégrées à d'autres modes de transport, tels que les services de bus et de taxi, pour guider les passagers à travers des trajets de porte à porte en douceur. La gestion holistique des données pourrait entraîner un changement transformationnel dans la gestion intelligente du trafic en temps réel et la signalisation en cabine. Cela pourrait améliorer la satisfaction des clients, avec des systèmes d'information sur les gares et des messages personnalisés fournissant aux passagers toutes les informations pertinentes dont ils ont besoin.
La numérisation des chemins de fer comprend:

Détection ultrasonique des défauts de rail B-scan (systèmes sans arrêt et systèmes d'arrêt et de vérification) et inspection des voies avec des trains d'essai automatisés à grande vitesse.
Former les niveaux 2 et 3 du système de contrôle des itinéraires à haute densité pour augmenter la capacité du réseau et maintenir les normes de sécurité requises.
Surveillance accrue du personnel grâce à la vidéosurveillance intérieure et extérieure montée sur locomotive pour améliorer la surveillance.
Machines de pose de voies pour la mécanisation de la construction.
Électrification par des machines telles que l'électrification aérienne autopropulsée posant des trains.
Scanners de train complets pour un diagnostic et une maintenance améliorés.
Utilisation de l'énergie distribuée pour améliorer l'efficacité des opérations ferroviaires avec une accélération et une décélération coordonnées.
Création de gares intelligentes en mettant en place un contrôle d'accès aux points d'entrée.
billetterie électronique avec des services tels que l'infodivertissement et les systèmes basés sur des applications.
Utilisation de simulateurs de formation et de systèmes de formation en réalité virtuelle (VR) pour améliorer les capacités du personnel.

Digital twin – la plateforme numérique pour les chemins de fer et les voies aériennes
Un jumeau numérique fait référence à une réplique virtuelle d'un actif physique, comme un moteur d'avion ou un moteur ferroviaire. Il s'agit d'un élément essentiel de la solution ferroviaire numérique qui est continuellement mise à jour conformément au réseau ferroviaire. Il permet aux ingénieurs de tester des scénarios de simulation détaillés qui pourraient aider à la prise de décision concernant la planification des programmes d'amélioration et de maintenance. Il pourrait identifier la solution la plus valorisée qui aurait les plus grandes efficacités et minimiserait les perturbations.
Chaque année, la maintenance imprévue, les retards de vol et les annulations coûtent des millions de dollars à chaque compagnie aérienne. L'optimisation de la disponibilité opérationnelle peut réduire les coûts d'exploitation dus à la maintenance. La surveillance des moteurs utilisés avec un jumeau numérique peut aider les compagnies aériennes à y parvenir. Un jumeau numérique peut afficher le fonctionnement du moteur aux ingénieurs au sol, tandis que l'avion est toujours en l'air. Plus tard, il peut être lié aux systèmes informatiques pour rationaliser et optimiser les processus de maintenance et la disponibilité opérationnelle.
Pour chaque actif, les ingénieurs compilent des milliers de points de données spécifiquement pendant les phases de conception et de fabrication du moteur. Ils sont ensuite utilisés pour créer un modèle numérique qui suit et surveille un actif en temps réel, fournissant des informations essentielles tout au long du cycle de vie d'un actif, telles que la température du moteur, la pression et le débit d'air.
Ces modèles virtuels des actifs peuvent fournir des alertes précoces, des prévisions et même un plan d'action en simulant des conditions de simulation basées sur la météo, les performances, les opérations et d'autres variables. De cette façon, ces modèles aident à garder l'avion en service plus longtemps.
Rôle des capteurs dans la maintenance prédictive
Les capteurs sont de moins en moins chers. Cela augmentera leur implémentation en tant que principal fournisseur de données en temps réel. Les capteurs utilisent une approche basée sur les réactions pour gérer et maintenir un actif et maximiser son potentiel d'utilisation. Une large gamme de capteurs est disponible pour collecter d'énormes quantités de données de tous les systèmes possibles d'un même train, puis les analyser en temps réel pour détecter les problèmes avant qu'ils ne se produisent réellement.
Une surveillance constante de l'équipement grâce à la mesure de toutes les variables pertinentes telles que la température, les vibrations, les niveaux d'huile et autres permet d'anticiper le moment optimal pour la maintenance. Il permet l'identification proactive des défauts et l'élimination des interventions de maintenance nécessaires. La maintenance prédictive est un outil puissant qui permet de suivre la santé des actifs, de réduire les temps d'arrêt imprévus de l'équipement et de minimiser le coût élevé de la maintenance imprévue.
Les capteurs optiques et tactiles tels que les barrières immatérielles, les systèmes de caméras et les tapis sensibles à la pression dynamiques sont adaptés à la surveillance des zones proches des véhicules ferroviaires. Une bonne communication interne, des réactions rapides basées sur les données de géolocalisation des équipements, une planification de maintenance de haute qualité et des interventions régulières sont nécessaires pour maintenir le fonctionnement des réseaux ferroviaires massifs.
Fig.2: Technologies habilitantes pour l'IIoT des chemins de fer (Crédit: www.mdpi.com)
Maintenance prédictive et GMAO pour une meilleure performance des actifs ferroviaires
La gestion moderne et nouvelle génération des actifs et de la maintenance commence par l'adoption d'un système intelligent de gestion de la maintenance informatisée (GMAO). Une maintenance ferroviaire fiable est nécessaire pour améliorer les problèmes critiques tels que la sécurité, les retards et la capacité globale du système. Il devrait s'appuyer sur des systèmes de transport intelligents et des solutions interconnectées telles que la maintenance prédictive.
Une GMAO interconnectée peut aider à maintenir, gérer et connecter les pistes, les terminaux, le matériel roulant et l'infrastructure de communication. Il peut identifier les problèmes de maintenance avant qu'ils n'affectent la sécurité, les opérations ou les revenus. Il collecte, stocke et analyse les données pour éviter les pannes et émet des algorithmes de maintenance prédictive pour prolonger la durée de vie des équipements.
Une GMAO fiable doit être conviviale, rapide, réactive et flexible. Il devrait également avoir une application mobile pour un accès à tout moment, connectable aux systèmes ERP et IoT, un outil de géolocalisation, un outil analytique qui prend en charge le téléchargement de médias sans restriction, etc. Différents services tels que la comptabilité, les opérations, les achats et la maintenance doivent également être connectés à l'ensemble de la plateforme de communication. Il peut fonctionner comme un réseau pour les fabricants, les techniciens et les fournisseurs pour échanger des expertises et accélérer les opérations. Les outils d'analyse CMMS avancés permettent aux organisations d'analyser les données avec une grande rapidité et précision, pour optimiser la disponibilité et augmenter la durée de vie des actifs.
Les trains connectés à l'IoT
L'IoT peut interconnecter tous les objets et appareils qui ne faisaient auparavant pas partie d'un réseau pour l'analyse prédictive. Son application augmente la sécurité, l'efficacité et la facilité d'utilisation avec les systèmes de gestion des trains. Les systèmes de contrôle et de surveillance réduisent le risque de collisions et régulent la vitesse. Les technologies de consommation avancées aident à maximiser la connectivité et permettent aux passagers de poursuivre leurs activités sur des appareils intelligents tout en voyageant. La communication de train à train via le cloud permet aux opérateurs de transmettre entre eux des données sur les équipements, les voies et les stations.
L'IoT permet de surveiller à distance les zones des passages à niveau, telles que les opérations de barrière et les positions finales, les positions finales de commutation, l'espace entre les barrières, le fonctionnement du système, les connexions et les signaux. Cela permet aux utilisateurs d'accélérer leurs projets, de l'ingénierie et de l'exécution à la maintenance avec une détection et une localisation rapides des erreurs et des défauts.
Analyse du Big Data pour les chemins de fer intelligents
L'architecture complète du Big Data comprend les dispositifs IoT et cloud computing. Ils travaillent ensemble pour créer des chemins de fer intelligents dotés de capacités d'auto-apprentissage pour prédire les pannes, établir des diagnostics et déclencher des actions de maintenance. L'architecture utilise plusieurs sources de données pour extraire les informations pertinentes. Il aide les utilisateurs à savoir ce qui s'est passé à quel moment, afin qu'ils puissent revenir en arrière et faire l'analyse des causes profondes à partir des données, et prendre les mesures correctives appropriées.
L'analyse du Big Data dans les chemins de fer conduit à une analyse prédictive et prend des décisions basées sur d'énormes quantités de données. Ceux-ci impliquent la collecte, l'analyse, la visualisation et la prise de décision des données pour les actifs.
L'estimation de la durée de vie utile restante d'un actif pour déterminer la probabilité de l'accomplissement de sa mission est la clé du succès de toute organisation. Le domaine ferroviaire peut réaliser l'interconnexion de données via le bus de train où la plupart des sous-systèmes ferroviaires et leurs capteurs respectifs sont accessibles pour une optimisation globale.
Avec l'augmentation de la demande pour davantage de services ferroviaires voyageurs et l'augmentation des volumes de trains de marchandises, l'utilisation des données et leur analyse deviendront un atout majeur pour le secteur ferroviaire. Des millions de points de données capturés à partir de capteurs sur les composants critiques du train aideront à détecter les défauts imminents des pièces, assurant la maintenance avant qu'un défaut ne se produise. Cela améliorera la fiabilité de l'infrastructure du système pendant de nombreuses années en surveillant à distance l'emplacement et l'état de tous les véhicules.
Fig. 3: Automatisation possible du cockpit (Crédit: www.oliverwyman.com)
Plus de technologies pour répondre aux besoins des chemins de fer
Les chercheurs de Siemens Corporate Technology ont développé une technique connue sous le nom de revêtement sélectif en fréquence des vitres pour résoudre le problème des signaux Internet mobiles faibles. Ces vitres sont pourvues d'une couche conductrice d'électricité transparente constituée de métaux ou d'oxydes métalliques. Le revêtement métallique des fenêtres est vaporisé le long des lignes dans une structure spéciale par un laser pour passer certaines gammes de fréquences sans obstruction.
Le laboratoire VR du John F. Welch Technology Center de GE Transportation, à Bangalore, a facilité un environnement VR 3D pour l'inspection. Il suit les mouvements des inspecteurs grâce à des lunettes portables spécialement conçues et à des caméras infrarouges (IR) placées dans la pièce. Le contrôleur VR permet aux utilisateurs d'interagir avec des composants individuels. L'environnement aide les équipes de différents sites à collaborer et à examiner les produits en cours de développement. Le laboratoire peut également être utilisé comme terrain de formation pour les ingénieurs de service qui travaillent sur des produits sur le terrain.
Le système d'alimentation distribué Locotrol est un système de contrôle et de communication qui permet une distribution coordonnée de puissance de freinage et de traction entre les moteurs principaux et distants pour des temps d'arrêt plus rapides et des distances d'arrêt plus courtes. Le système de localisation grâce à des caméras de qualité d'image supérieure et au traitement des données en temps réel surveille les actifs en bordure de route, mesure les jauges de piste et détecte les intrus. Il stocke toutes les informations dans une infrastructure matérielle pour éviter les réparations majeures et les amendes. Le moniteur d'intégrité du rail utilise une technologie innovante avec des capteurs montés sous la locomotive, testant en continu l'intégrité du rail en temps réel.
Les systèmes de contrôle automatique des trains surveillent en permanence tous les mouvements des trains pour fournir une signalisation de sécurité. L'exploitation des chemins de fer est surveillée et contrôlée de manière centralisée par le biais de systèmes de contrôle des opérations. Les systèmes de supervision, tels que les caméras de vidéosurveillance ou les téléphones d'urgence, contribuent également à la sécurité et à un confort accru.
Les systèmes de signalisation et les solutions d'automatisation ferroviaire sont essentiels pour détecter et signaler si les sections de ligne sont dégagées ou occupées. Il existe trois niveaux de systèmes d'automatisation et de contrôle des trains, à savoir partiellement automatisé (supervisé par un conducteur), hautement automatisé (supervision réduite du conducteur) et entièrement automatisé (le système est responsable).
Technologies et automatisation des voies aériennes
L'année 2019 semble être l'ère de la transformation numérique avec la technologie devenant une partie de la vie quotidienne dans toutes les industries, y compris l'industrie du transport aérien. L'industrie du transport aérien est en constante évolution et s'adapte aux nouvelles habitudes, attentes et exigences des consommateurs pour une meilleure sécurité et sûreté. Les technologies et les tendances qui devraient jouer le rôle le plus important dans la refonte de l'industrie du transport aérien en 2019 sont les suivantes:
Biométrie
Des portes d'embarquement en libre-service dotées de la biométrie, où votre visage devient votre passeport, ont été mises en place aux entrées de nombreux salons des compagnies aériennes. L'intégration de cette technologie dans la signalisation et les systèmes d'affichage des informations de vol est utilisée pour fournir aux passagers des informations et des offres personnalisées.
La technologie biométrique peut également être utilisée à bord pour faciliter l'immigration des dossiers de siège et simplifier les paiements en vol. Les compagnies aériennes, les aéroports et leurs partenaires travaillent continuellement vers l'objectif de créer un jeton de passager unique compatible avec la biométrie pour offrir des voyages sans effort.
Les technologies biométriques telles que la numérisation des empreintes digitales ou la reconnaissance faciale sur les smartphones ont également été adoptées par les compagnies aériennes et les aéroports pour transformer le parcours client. La numérisation des empreintes digitales à des fins d'identification pour l'enregistrement des bagages pourrait éliminer le besoin de cartes d'embarquement et réduire la nécessité pour l'équipage d'être présent pour les scanner manuellement à la porte d'embarquement.
Blockchain
La technologie Blockchain peut éliminer le besoin de s'appuyer sur des preuves d'identité physiques en enregistrant les données des passagers conservées dans une base de données décentralisée virtuelle. Il peut être extrêmement utile dans la construction d'un système de sécurité robuste pour gérer les données client en utilisant une solution de gestion de documents basée sur le cloud. Cela permettra d'économiser du temps, de l'argent et des ressources à long terme, aidant les compagnies aériennes à devenir plus efficaces, plus sûres et plus conformes. Ces données peuvent également être utilisées pour augmenter l'efficacité opérationnelle grâce à l'analyse prédictive.

Intelligence artificielle
Les chatbots peuvent être utilisés pour répondre à des questions simples, libérant ainsi des ressources (agents humains) pour des problèmes de service client plus complexes. L'intelligence artificielle (IA) possède également un potentiel dans un certain nombre d'autres domaines, tels que la tarification prédictive en temps réel, la maintenance prédictive des avions et l'efficacité opérationnelle sur le terrain d'aviation.
Les expériences de voyage peuvent être intimidantes lorsque vous êtes dans un environnement inconnu et que vous ne parlez pas la langue locale. Cela pourrait être résolu par l'IA et les technologies d'apprentissage automatique (ML) avec des applications et des appareils de traduction.
Robotique
Les robots peuvent vous aider dans diverses tâches, du transport des bagages à l'identification proactive des risques potentiels pour la sécurité. Les robots orientés client peuvent fournir une assistance sur place aux passagers, comme la gestion de la clientèle, le parking, etc. La gestion des bagages peut également être améliorée avec des étiquettes de bagages électroniques réutilisables et un service de ramassage porte-à-porte.
Technologie de balise pour les systèmes de positionnement intérieur. Les balises peuvent faciliter la navigation des voyageurs entre les différents terminaux de l'aéroport. Cela peut également aider à savoir où se trouvent les passagers et à leur envoyer des informations personnalisées et pertinentes en conséquence. Ces informations peuvent concerner le numéro de la porte d'embarquement, l'état des bagages ou du vol, ou les magasins aux alentours.
AR et VR
La réalité augmentée (RA) permet aux passagers d'utiliser la caméra de leur appareil pour afficher les directions de la RA à l'endroit où ils doivent se rendre dans le terminal. Il les aide à naviguer dans la configuration complexe des aéroports.
Les applications basées sur la réalité virtuelle peuvent être utilisées pour former les nouveaux membres d'équipage et les ingénieurs à la mécanique des moteurs.
Cybersécurité et cloud
Tout ce que les compagnies aériennes font pour améliorer leurs points de contact numériques dépend de la sécurité de leurs systèmes informatiques. Alors que les leaders technologiques et les acteurs de l'industrie travaillent sur un certain nombre de solutions, les compagnies aériennes devraient maintenir la cybersécurité en tête de liste de leurs priorités.
L'IoT
Les capteurs peuvent détecter et signaler les défaillances aux équipes de maintenance sur le terrain, ce qui évite à l'équipage de le faire manuellement. L'ajout de capteurs aux sièges d'avion permettra à l'équipage de surveiller la santé et le bien-être des passagers individuels. Des capteurs tels que la pression hydraulique et la température de freinage fournissent des données en temps réel pour aider à prévoir les dysfonctionnements précoces ou à diagnostiquer le cycle de vie restant du train d'atterrissage. Les chercheurs développent des systèmes de pilote automatique basés sur ML résilients qui peuvent s'adapter aux conditions changeantes.
Les compagnies aériennes utilisent des plates-formes mobiles pour se connecter avec leurs clients tout au long du voyage, de la réservation d'un vol à son débarquement. Le déploiement d'objets connectés peut transformer le processus de fabrication avec de nouveaux outils et services qui génèrent une baisse des coûts de production et augmentent la productivité. Globalement, il peut réduire à la fois le temps et le coût de la maintenance.
Conclusion
Avec l'essor de l'Industrie 4.0, les compagnies ferroviaires peuvent désormais s'assurer qu'elles sont prêtes à éviter la surprise des temps d'arrêt des équipements. L'industrie ferroviaire est en passe d'intégrer la maintenance prédictive et le Big Data. Les progrès récents dans les capteurs et les technologies de surveillance de l'état ont conduit à une collecte et une évaluation continues des données, minimisant considérablement le nombre et le coût de la maintenance imprévue.
Les améliorations les plus importantes ont été mises en évidence par des sites Web plus informatifs et conviviaux, des applications mobiles pour des informations en temps réel sur les véhicules en mouvement, et des achats de billets électroniques et des informations sur les horaires mis en œuvre dans les gares et les arrêts. La technologie des compagnies aériennes est susceptible d'évoluer au fil du temps au point où un membre d'équipage peut gérer une partie importante d'un vol en raison d'une pénurie de pilotes prévue à l'avenir. Grâce à l'automatisation, un pilote à distance au sol pourra prendre le deuxième siège sur un vol ou un segment de vol.

 

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