Sujet de Thèse
Modélisation pour l'évaluation de la sécurité dans le Contexte du Transport Ferroviaire Décarboné : Application à un système électrotechnique de recharge de batteries d'un Train Très Léger.
Dates :
2024/10/01 - 2027/09/30
Encadrant(s) :
Description :
Introduction :
La mise en oeuvre du train très léger, en tant que solution de décarbonation du transport ferroviaire, représente une perspective prometteuse pour l'avenir des systèmes de transport dans les lignes de desserte fine de territoire (LDFT). Ces lignes souffrent actuellement d'un manque d'offre de transport décarboné. Le succès du déploiement d'une telle solution réside aussi bien dans la prouesse technique de conception du système que dans l'optimisation de son exploitation et la garantie de viabilité sur son cycle de vie. Dans ce contexte, cette thèse vise à développer des méthodes d'évaluation de la sûreté et de la sécurité spécifiquement adaptée au système de charge des batteries embarquées, contribuant ainsi à la conception et à l'exploitation sécurisée du système ferroviaire. Ce système de charge innovant permettant de recharger les batteries embarquées est basé sur l'utilisation d'un troisième rail. Lorsque le véhicule est au-dessus de ce rail, un patin descend du véhicule pour être en contact avec ce rail. Une approche d'analyse de la sûreté et de la sécurité du système de charge des batteries embarquées est nécessaire, prenant en compte des aspects stochastiques et fonctionnels, conformément aux exigences croissantes de disponibilité et de sûreté des systèmes.
Problématique et Objectifs :
Cette recherche se concentre sur le développement de méthodes d'évaluation de l'état de santé des composants, en considérant les contraintes de performance et de disponibilité des composants du Système Instrumenté de Sécurité (SIS). Les SIS sont utilisés pour assurer la sécurité fonctionnelle des installations, c'est-à-dire la réduction des risques à un niveau inférieur ou égal au risque tolérable. Pour concevoir un SIS, plusieurs normes de sécurité sont utilisées : la norme principale [IEC 61508], pour la sécurité des procédés [IEC 61511] et pour la sécurité ferroviaire [IEC 50126]. Les objectifs incluent le développement de méthodes d'estimation basées sur des modèles permettant d'analyser des structures de système décomposées en couches : capteurs, unités logiques (décision) et actionneurs. La problématique inclut également la détection automatique de défauts et/ou de dégradations, la prédiction de l'état de dégradation des composants induisant une prise de décision basée sur des critères multidisciplinaires. Enfin, la reconfiguration de mission en fonction des performances exigées et de la durée de vie résiduelle (RUL) nécessaire pour garantir la sécurité des humains et des biens est envisagée.
Recherche bibliographique :
Dans un premier temps, une analyse de l'état de l'art dans le domaine des Systèmes Instrumentés de Sécurité (SIS) sera nécessaire. Les problématiques spécifiques des systèmes multi-techniques dans le domaine ferroviaire devront être identifiées. Nous nous intéresserons notamment à l'évaluation de la stratégie de test sur les performances du SIS [Mechri et al. 2022], au problème de leur modélisation [Mechri et al. 2023], et à la construction optimale de SIS ainsi qu'à la modélisation et à l'évaluation de leur performance en prenant en compte différents paramètres (facteur de cause commune, temps entre les tests, effet du test sur la santé des composants, etc.) [Simon et al. 2016], [Mechri et al. 2015]. Dans un second temps, pour prendre en compte l'impact du vieillissement des composants sur la fonction de sécurité, une étude bibliographique des méthodes actuelles de HMS (Health Management Systems) et PHM (Prognostics and Health Management) sera menée en considérant leur intégration dans l'évaluation des SIS. Les solutions à mettre en oeuvre dans le cas de contraintes liées à la disponibilité limitée de données expérimentales seront également prises en considération.
Méthodologie et Planning :
Les travaux sont organisés sur trois ans. La première année sera dédiée à l'étude bibliographique et à l'analyse structurelle de l'architecture multi-composants du système de recharge des batteries. La formation aux outils de modélisation et la connaissance des normes en matière de sécurité seront également abordées. Une première analyse de risque et une évaluation du niveau de réduction nécessaire pour évaluer l'architecture du ou des SIS à mettre en oeuvre seront réalisées.
La deuxième année se concentrera sur le développement des outils de modélisation des SIS pour garantir la sûreté et la sécurité durant l'exploitation du système de charge des batteries du véhicule ferroviaire. Le travail se poursuivra sur les solutions à mettre en oeuvre à partir des données expérimentales et des cas d'usage, et leur application au démonstrateur de charge de batteries, réalisant ainsi la première preuve de niveau de sécurité de la solution proposée. Une valorisation des analyses bibliographiques du domaine et des structures de modélisation proposées pourra être envisagée pour confronter les solutions à la communauté scientifique (Conférence LambdaMu, présentation en réunion d'Actions du GDRMACS, par exemple Health Aware Control Design in Dynamic Systems).
La troisième année sera focalisée sur l'exploitation des modèles et la recherche de structures adaptées aux objectifs et niveaux de sécurité. Des propositions d'amélioration et d'optimisation de la solution par rapport aux objectifs de sécurité seront alors faites. La prise en compte des contraintes opérationnelles et la projection sur des stratégies de choix de missions pour assurer la sécurité de l'installation et des usagers seront également mises en oeuvre. Enfin, cette troisième année sera concentrée sur l'application au système en intégrant les résultats sur prototype, ainsi que sur la valorisation scientifique des résultats de thèse en revue, et la rédaction et défense de la thèse.
La mise en oeuvre du train très léger, en tant que solution de décarbonation du transport ferroviaire, représente une perspective prometteuse pour l'avenir des systèmes de transport dans les lignes de desserte fine de territoire (LDFT). Ces lignes souffrent actuellement d'un manque d'offre de transport décarboné. Le succès du déploiement d'une telle solution réside aussi bien dans la prouesse technique de conception du système que dans l'optimisation de son exploitation et la garantie de viabilité sur son cycle de vie. Dans ce contexte, cette thèse vise à développer des méthodes d'évaluation de la sûreté et de la sécurité spécifiquement adaptée au système de charge des batteries embarquées, contribuant ainsi à la conception et à l'exploitation sécurisée du système ferroviaire. Ce système de charge innovant permettant de recharger les batteries embarquées est basé sur l'utilisation d'un troisième rail. Lorsque le véhicule est au-dessus de ce rail, un patin descend du véhicule pour être en contact avec ce rail. Une approche d'analyse de la sûreté et de la sécurité du système de charge des batteries embarquées est nécessaire, prenant en compte des aspects stochastiques et fonctionnels, conformément aux exigences croissantes de disponibilité et de sûreté des systèmes.
Problématique et Objectifs :
Cette recherche se concentre sur le développement de méthodes d'évaluation de l'état de santé des composants, en considérant les contraintes de performance et de disponibilité des composants du Système Instrumenté de Sécurité (SIS). Les SIS sont utilisés pour assurer la sécurité fonctionnelle des installations, c'est-à-dire la réduction des risques à un niveau inférieur ou égal au risque tolérable. Pour concevoir un SIS, plusieurs normes de sécurité sont utilisées : la norme principale [IEC 61508], pour la sécurité des procédés [IEC 61511] et pour la sécurité ferroviaire [IEC 50126]. Les objectifs incluent le développement de méthodes d'estimation basées sur des modèles permettant d'analyser des structures de système décomposées en couches : capteurs, unités logiques (décision) et actionneurs. La problématique inclut également la détection automatique de défauts et/ou de dégradations, la prédiction de l'état de dégradation des composants induisant une prise de décision basée sur des critères multidisciplinaires. Enfin, la reconfiguration de mission en fonction des performances exigées et de la durée de vie résiduelle (RUL) nécessaire pour garantir la sécurité des humains et des biens est envisagée.
Recherche bibliographique :
Dans un premier temps, une analyse de l'état de l'art dans le domaine des Systèmes Instrumentés de Sécurité (SIS) sera nécessaire. Les problématiques spécifiques des systèmes multi-techniques dans le domaine ferroviaire devront être identifiées. Nous nous intéresserons notamment à l'évaluation de la stratégie de test sur les performances du SIS [Mechri et al. 2022], au problème de leur modélisation [Mechri et al. 2023], et à la construction optimale de SIS ainsi qu'à la modélisation et à l'évaluation de leur performance en prenant en compte différents paramètres (facteur de cause commune, temps entre les tests, effet du test sur la santé des composants, etc.) [Simon et al. 2016], [Mechri et al. 2015]. Dans un second temps, pour prendre en compte l'impact du vieillissement des composants sur la fonction de sécurité, une étude bibliographique des méthodes actuelles de HMS (Health Management Systems) et PHM (Prognostics and Health Management) sera menée en considérant leur intégration dans l'évaluation des SIS. Les solutions à mettre en oeuvre dans le cas de contraintes liées à la disponibilité limitée de données expérimentales seront également prises en considération.
Méthodologie et Planning :
Les travaux sont organisés sur trois ans. La première année sera dédiée à l'étude bibliographique et à l'analyse structurelle de l'architecture multi-composants du système de recharge des batteries. La formation aux outils de modélisation et la connaissance des normes en matière de sécurité seront également abordées. Une première analyse de risque et une évaluation du niveau de réduction nécessaire pour évaluer l'architecture du ou des SIS à mettre en oeuvre seront réalisées.
La deuxième année se concentrera sur le développement des outils de modélisation des SIS pour garantir la sûreté et la sécurité durant l'exploitation du système de charge des batteries du véhicule ferroviaire. Le travail se poursuivra sur les solutions à mettre en oeuvre à partir des données expérimentales et des cas d'usage, et leur application au démonstrateur de charge de batteries, réalisant ainsi la première preuve de niveau de sécurité de la solution proposée. Une valorisation des analyses bibliographiques du domaine et des structures de modélisation proposées pourra être envisagée pour confronter les solutions à la communauté scientifique (Conférence LambdaMu, présentation en réunion d'Actions du GDRMACS, par exemple Health Aware Control Design in Dynamic Systems).
La troisième année sera focalisée sur l'exploitation des modèles et la recherche de structures adaptées aux objectifs et niveaux de sécurité. Des propositions d'amélioration et d'optimisation de la solution par rapport aux objectifs de sécurité seront alors faites. La prise en compte des contraintes opérationnelles et la projection sur des stratégies de choix de missions pour assurer la sécurité de l'installation et des usagers seront également mises en oeuvre. Enfin, cette troisième année sera concentrée sur l'application au système en intégrant les résultats sur prototype, ainsi que sur la valorisation scientifique des résultats de thèse en revue, et la rédaction et défense de la thèse.
Mots clés :
Systèmes Instrumentés de Sécurité (SIS), Health Management Systems, PHM, Transport Ferroviaire
Conditions :
Durée : 36 mois
Thèse financer dans le cadre du Projets collaboratifs / I-Démo Régionalisé, EN REGION GRAND EST
Nom du projet : CESAM "Charging Electric train with Safe Autonomous Mobility"
(LOHR Industrie ; FUTURAIL ; UL / CRAN ; SATT Connectus pour UHA / IRIMAS)
Thèse financer dans le cadre du Projets collaboratifs / I-Démo Régionalisé, EN REGION GRAND EST
Nom du projet : CESAM "Charging Electric train with Safe Autonomous Mobility"
(LOHR Industrie ; FUTURAIL ; UL / CRAN ; SATT Connectus pour UHA / IRIMAS)
Département(s) :
Modélisation Pilotage des Systèmes Industriels |
Financement :
BPI, Projets collaboratifs / I-Démo Régionalisé, EN REGION GRAND EST
Publications :