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Thème 1 : Systèmes basse consommation de surveillance d'infrastructures

 

L'exploitation des immenses ressources pétrolières et gazières off-shore du Liban, jusqu'ici relativement négligées, est en passe de devenir une réalité. Ceci constitue bien évidemment un enjeu stratégique majeur et un réel espoir pour l'économie du pays. Par ailleurs, le besoin d'une gestion améliorée des ressources hydrauliques et le mauvais état général des réseaux d'adduction d'eau libanais, cause d'énormes pertes, sont des éléments tout à fait dommageables pour un pays pourtant considéré comme le «château d'eau du Moyen-Orient». Dans ce contexte, l'intégrité des réseaux de conduites de fluides sous pression (pétrole, gaz, eau) revêt alors une importance indéniable et croissante. D'autre part, le Maroc est en train d'acquérir de nouvelles infrastructures ferroviaires (TGV) et des besoins en surveillance de ces infrastructures par des moyens si possible moins contraignants que les techniques actuelles (automatisation, diagnostics à grande vitesse) sont identifiés.


L'objectif de ce thème est donc de développer des réseaux de capteurs autonomes et non-intrusifs permettant une surveillance automatisée et temps-réel de l'état des infrastructures (transport de fluide, infrastructures ferroviaires). A ce jour, les études menées ont été réalisées en collaboration avec le Liban pour ce qui concerne les aspects physique et traitement des signaux, et le Maroc pour les aspects réseaux de capteurs sans fil basse consommation.


L'émission et la réception d'ondes élastiques à des fréquences ultrasonores sont des moyens bien connus pour réaliser un contrôle non destructif des structures (caractérisation de l'état, détection d'endommagements). Lorsque les émetteurs et récepteurs ultrasonores sont implantés de façon permanente et répartie sur la structure, on parle de contrôle-santé structurel (SHM). Des travaux
récents ont démontré le potentiel d'une technique originale de SHM passif basée sur la corrélation d'un champ acoustique non cohérent. L'idée de base de ces techniques est que l'estimation des auto ou inter-corrélations des enregistrements acoustiques de bruit prélevés localement permettent de faire émerger des composantes cohérentes associées au milieu de propagation acoustique (et donc aux propriétés structurelles) entre les capteurs. Ceci pourrait offrir l'opportunité d'un contrôle sur site, quasi temps réel, dans toutes les situations où un bruit acoustique ambiant adéquat existe. Les réseaux de conduites de fluides sous pression (pétrole, gaz, eau) et les infrastructures ferroviaires constituent de bons exemples de structures complexes sur lesquelles une telle technique de
détection d'endommagement pourrait s'appliquer. En effet, dans ces deux cas, de nombreuses sources acoustiques «naturelles» existent (bruits de pompes, d'écoulement, interaction écoulementparois, interaction roue-rail). L'insonification globale de l'infrastructure est donc assurée sans adjonction d'élément supplémentaire. Puisqu'un réseau de récepteurs acoustiques est alors suffisant, il s'agit d'une technique basse consommation permettant d'envisager un déploiement à grande échelle. Le fonctionnement des capteurs en écoute passive uniquement permet en effet de limiter énormément leurs besoins en énergie et la perspective de développer des capteurs complètement  autonomes, sans fil, implantés de façon permanente devient alors réaliste. En outre, dans la mesure où aucun actionnement mécanique n'est requis, la réalisation de capteurs miniaturisés pourra s'en trouver facilitée et les technologies MEMS pourront alors être mises à profit.

Les ondes acoustiques ou élastiques ainsi naturellement générées sont affectées par toute hétérogénéité de la structure dans laquelle elles se propagent et notamment la présence d'endommagements ou de sollicitations mécaniques locales anormales. La difficulté est alors d'extraire des signaux acoustiques quasi-aléatoires enregistrés par le réseau, les informations sur les défaillances de structures, mais également de définir les procédures de pré-traitement et de réduction de données compatibles avec les contraintes de la communication sans fil basse consommation et la miniaturisation et l'intégration du capteur, le codage et l'accès multiple dans le réseau de capteurs proposé ainsi que l'optimisation des algorithmes en vue d'une miniaturisation des capteurs hybrides Ultrasons/RF.


Le risque, inhérent à tout projet de recherche ambitieux et, en particulier, inévitable lors du passage à une application sur site en conditions réelles, est relativisé par les travaux amonts menés sur la compréhension poussée et préalable des phénomènes physiques mis en jeu et l'adaptation subséquente des procédures de traitement, à partir de simulations simplifiées et d'expérimentations réduites en laboratoire. Ces actions sont soutenues notamment par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR Blanc PASNI), l'IRT Railenium, l'Université de Valenciennes (projet transversal de démonstrateur), en plus des collaborations déjà évoquées plus haut avec le Liban et le Maroc. Par ailleurs, dans le cas où l'exploitation des champs ambiants présents naturellement sur site s\avérerait insuffisante, l'apport de sources vibratoires judicieusement réparties et de contenu spectral adapté à l'usage pourra toujours être envisagé. Dans la mesure où ces sources de bruit « artificielles » peuvent rester peu nombreuses et n'ont pas de contrainte de synchronisation avec le réseau de capteurs (contrairement aux techniques SHM dites actives), l'originalité et les avantages du système sont conservés.


Pour mener à bien un tel projet, il est indispensable de développer certaines complémentarités entre différents champs disciplinaires :

  • Physique des ondes acoustiques: propagation en milieu complexe, phénomènes de réverbération, diffusion, acoustique statistique, interaction fluide- structure,
  • Traitement des signaux et données: en s'appuyant sur la compréhension précise des phénomènes physiques mis en jeu, des procédures d'inversion et d'imagerie d'endommagement, ainsi que des algorithmes de décision adaptés et efficaces devront être élaborés,
  • Conception, intégration des capteurs: mise en oeuvre de technologies MEMS afin d'intégrer  à la fois les fonctionnalités de transduction acoustique électrique (couches minces actives, structures micro-mécaniques adaptées), les composants microélectroniques nécessaires, ainsi que les fonctions de communication sans fil et de mise en réseau,
  • Définition du réseau de capteurs: problématique de l'acquisition et pré-traitement de données réparties, protocoles de communication sans fil inter- capteurs compatibles avec contrainte de faible ressource embarquée.