La révolution des chemins de fer

2006/04/01 Unzueta Garcia, Hibai - Telekomunikazio-ingeniaria Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Dans les trains classiques, la locomotive produit de la traction, mais les wagons associés n'ont pas de traction et sont entraînés par la locomotive. En outre, les wagons sont généralement totalement indépendants, avec un bogie (structure de ramassage à quatre roues) à chaque extrémité, avec un total de huit roues par voiture. Cette formation prend un poids important, surtout si vous utilisez la structure de wagons en acier traditionnel. Dans les accidents, étant les wagons indépendants les uns des autres, les attelages entre eux sont d'abord brisés. Par conséquent, il se produit souvent un effet d'accordéon, ce qui aggrave encore plus la situation.

L'industrie du transport actuelle, combinant des concepts éprouvés dans la dernière décennie, a développé de nouvelles idées. D'une part, dans le schéma des trains articulés, un wagon sépare le bogie du côté. Cela signifie que les wagons ne sont pas indépendants et, par conséquent, ils resteront unis dans un accident.

Cette déclaration a été possible dans tous les accidents TGV qui ont eu lieu à ce jour. La sortie du train de la voie a été complète et alignée avec les rails dans tous les cas, protégeant ainsi les passagers. Ce concept a plus d'avantages, comme la réduction du poids et du bruit de roulement. Un train classique de dix voitures aura 20 bogies, tandis qu'un train articulé n'aura que 11. Comme les bogies sont des éléments lourds, la réduction de poids est évidente, ce qui permet d'augmenter la vitesse et de réduire les coûts de maintenance.

Un autre concept aux multiples avantages est celui de la traction distribuée. Dans ce cas, l'emplacement des moteurs est proposé le long du train. D'une part, les forces d'adhérence entre roues et rails augmentent, économisant de l'énergie. D'autre part, en l'absence de locomotive, on obtient plus d'espace pour les passagers avec la même longueur et poids.

Cependant, selon le chercheur de l'École d'ingénierie de Birmingham, Ryo Takagi, le freinage régénératif (regenerative braking) ou électrique est celui qui apporte un avantage total à cette forme de traction. Dans le freinage régénératif, les moteurs de traction sont utilisés comme générateurs en rendant l'énergie obtenue au réseau électrique. En outre, la réduction de l'utilisation des disques de freinage entraîne une usure plus lente, ce qui réduit les coûts de maintenance.

Nouveaux matériaux et structures

À ce jour, l'acier a été utilisé comme matériau de construction automobile, résistant mais trop lourd. Aujourd'hui, cependant, afin de réduire le coût par passager et les rejets polluants, il a tendance à augmenter l'utilisation de trains à deux étages. Pour sa construction, il est recommandé d'utiliser des structures plus légères de composite en aluminium comme dans le TGV Duplex ou dans le prototype Elisa (AGV).

En outre, la société finlandaise Fibrocom a développé un matériau léger et résistant appelé channel composite. Des structures 3D spéciales sont utilisées pour maintenir le matériau ferme. Désormais, avec Fibrocom, Talgo commencera également à produire des trains à deux étages construits avec ce matériau. C'est la première conception au monde qui maintient les deux étages sur toute la longueur du train, et les passages entre les voitures sont également de deux étages.

Bras oscillant basculant

Cette technique vise à réduire l'effet de la force centrifuge dont souffrent les voyageurs dans les virages. Ceci est réalisé en équilibrant la force centrifuge qui pousse le train vers l'extérieur de la courbe, en basculant le train vers l'intérieur de la courbe. Cela permet d'augmenter la vitesse d'environ 25%, sans modifier les chemins de fer existants, ni nuire au confort et à la sécurité des passagers.

Il existe des systèmes de basculement passifs et actifs. Les passifs sont utilisés depuis les années 80, par exemple dans le train pendulaire de la société Talgo. Les boîtes de ces trains sont naturellement équilibrées. Le mécanisme est que les véhicules ont un centre de gravité bas et les roues sont attachées au haut de la boîte de véhicules avec un système de suspension. Dans les virages, la force centrifuge pousse la boîte vers l'extérieur et les boîtes, étant liées du haut, s'inclinent vers l'intérieur.

De leur côté, les systèmes actifs détectent que le train est sur le point d'entrer dans une courbe par GPS ou gyroscopes utilisés pour mesurer la force centrifuge. À ce moment-là, grâce à un système hydraulique, la boîte du véhicule est inclinée par le bogie. Fiat Ferroviaire (maintenant Alstom) utilise cette machine dans ses trains Pendolino. Ces trains offrent un service à grande et moyenne vitesse, principalement dans le nord de l'Italie. De 1998 à 2001, Alstom a introduit de profonds changements dans le TGV classique, donnant lieu au premier TGV oscillant de l'histoire. Le prototype Démonstrateur Pendulaire a été soumis à de nombreux tests pour permettre à l’entreprise d’appliquer des technologies de basculement à un train à grande vitesse de nouvelle génération.

Une autre nouveauté notable dans les systèmes actifs serait le système intelligent de basculement intégral (SIBI) de la société CAF de Beasain. Le train consiste en un module qui détermine la position du train par GPS, capteurs de roulement relatif et les agents nécessaires pour plier la boîte du véhicule avec le bogie. Le train doit d'abord apprendre les caractéristiques du parcours. Ainsi, il avance sur le parcours et se balance au moment opportun et avec la force adéquate. Il s'agit d'un système silencieux et de petite taille, applicable à la fois aux trains électriques et diesel.

TCN

Le Réseau des Communications du Train est la signification des sigles anglais TCN. Cette norme internationale lancée par l'Union internationale des chemins de fer (UIC) et la Conférence électrotechnique internationale (IEC) définit la communication entre les dispositifs internes du train.

Une façon de comprendre cette plate-forme est la comparaison avec le système nerveux humain. Certains éléments du corps prennent des données de l'environnement, comme les yeux. Les instruments mesurant vitesse, température ou tension sont appelés capteurs dans le train. D'autres éléments du corps, tels que les jambes ou les mains, servent à changer l'environnement ou son emplacement. Dans le train, ils sont appelés actionneurs. Ils permettent de modifier un paramètre, par exemple, les moteurs et les freins modifient la vitesse. De plus, l'étonnant réseau de communication, connu comme système nerveux, relie tous les éléments. C'est la place du TCN dans le train. Ce réseau à travers le train a plusieurs liens sur roues, portes, sièges, moteurs... Ces liens peuvent être des capteurs ou des actionneurs. De même, le cerveau corporel est le centre de contrôle du train, comme indiqué dans l'argot du TCN, le noeud principal.

Selon l'expert Hubert Kirrmann d'ABB Corporate Research, malgré le besoin de standardisation des composants électroniques du train, le véritable avantage du TCN est sa capacité de reconfiguration automatique. En effet, les trains avec une composition variable dans le service quotidien, comme les métros, les trains de nuit ou les trains internationaux, nécessitent une méthode de contrôle, de diagnostic et d'échange d'informations. Ce type de systèmes de communication devrait être configuré lorsque les véhicules sont reliés entre eux sur la voie ferrée et ils le font.

Selon le TCN, il peut y avoir un réseau dans chaque véhicule (wagon ou locomotive). En outre, un réseau ferroviaire complet relie les réseaux de chaque véhicule. Cela est possible, par exemple, que depuis la locomotive on sache que l'équipement de climatisation de la quatrième voiture est détérioré et qu'on rapporte directement de cette panne au centre d'entretien. Ce dernier réseau, qui s'étend à tout le train, est capable de s'adapter automatiquement.

Et comment faites-vous ? Normalement, le réseau ferroviaire est contrôlé par le lien existant dans la locomotive. Les liaisons des wagons situés des deux côtés du train analysent constamment l'incorporation d'un nouveau wagon et s'ils détectent quelque chose un conflit surgit pour résoudre le contrôle de la nouvelle formation ferroviaire.

Chaque formation a sa 'force'. Les formations ferroviaires avec plus de voitures sont «plus fortes», ainsi que les formations avec chauffeur par rapport à celles sans chauffeur. Par conséquent, si la formation de wagons détectée a moins de wagons ou n'a pas de conducteur avec le même nombre de wagons, la faible formation cédera et gagnera l'autre, qui contrôlera le train. Ensuite, il nommera les liens de nouvelle configuration pour les garder sous votre contrôle. Ainsi, le train s'adaptera automatiquement à la nouvelle taille.

ERTMS

Ces dernières années, l'industrie ferroviaire et les gouvernements des pays européens ont fait de nombreux efforts pour que les trains puissent franchir les frontières entre pays sans s'arrêter. Actuellement, chaque pays dispose de son propre système automatique de protection du train (ATP), c'est-à-dire sa propre langue pour gérer le mouvement des trains. Pour surmonter ces incompatibilités a été lancé un projet impulsé par l'Union européenne qui propose un seul modèle de signalisation, le Système Européen de Gestion de Trafic Ferroviaire (ERTMS). Mais l'objectif de l'ERTMS est, en plus d'égaliser les signalisations européennes, de créer le système de signalisation le plus avancé au monde avec de nombreuses rénovations. En fait, il est actuellement nécessaire d'installer des équipements coûteux, à la fois sur les trains et le long du parcours. En outre, dans les couloirs très fréquentés, la signalisation fait circuler les trains plus lentement. Tout cela changera avec l'ERTMS pour rendre le transport ferroviaire plus sûr et compétitif.

Des blocs sont actuellement utilisés pour contrôler la position des trains. Un bloc est un tronçon de chemin de fer contrôlé par un feu de circulation. S'il y a des trains le long du bloc, le feu de circulation sera rouge. De cette façon, les collisions entre les trains situés sur le même chemin de fer sont évitées. Un problème typique est que dans les couloirs très fréquentés les trains ralentissent plus vite qu'en raison de la lumière rouge, allongeant les voyages. Le nouveau système propose des blocs qui se déplacent avec le train.

Le plein développement des capacités de l'ERTMS évitera la nécessité de disposer de l'infrastructure adjacente au chemin de fer (par exemple feux de circulation) qui accrédite l'occupation des blocs. Grâce aux balises kilométriques situées le long du parcours, le train connaîtra sa position. Cette position sera envoyée au centre de blocage et de contrôle via GSM-R (version du système GSM de téléphonie mobile adapté pour voies ferrées). Ce centre mettra en vedette des informations sur l'état du réseau, avec l'emplacement de chaque train et les caractéristiques de la voie. Le centre de contrôle répondra au train en envoyant des ordres. Ces instructions seront un profil de vitesse qui permettra au train de connaître la vitesse à maintenir en fonction de son emplacement. Le processus sera répété périodiquement.

Pour être conscient de la puissance du système, il faut dire qu'il est prêt à travailler à une vitesse allant jusqu'à 500 km/h. De plus, les autorités d'autres pays du monde sont très intéressées par ce système, il est donc possible que le système ERTMS soit implanté au niveau mondial.

WIFI gratuit

Internet arrive aussi au train. L'opérateur de trains à grande vitesse Thalys, la société 21 Net et l'Agence spatiale européenne (ESA), qui travaille dans la région du Benelux, effectuent des tests pour offrir aux passagers une connexion Internet haut débit.

Le prototype dispose d'une antenne de connexion à un satellite sur le toit d'un wagon et d'un ordinateur central à travers lequel il est connecté à Internet. Pour la connexion on utilise la bande Ku, avec le satellite on obtient 4Mbps de descente et 2Mbps de montée. En partant de l'ordinateur central du train, un réseau wifi est mis en place dans le train. La connexion se fait par ordinateur portable et connexion ADSL. De plus, des films et autres contenus sont disponibles sur l'ordinateur central pour que les voyageurs puissent les regarder sur leurs ordinateurs. Dans les mois suivants, ce service sera offert sur tous les trains de Thalys et il est possible que d'autres trains soient bientôt intégrés. De cette façon, la valeur ajoutée sera apportée à ce moyen de transport.

Aligné avec la nature

Les scientifiques voient de plus en plus clairement que les déchets qui se déversent à la suite de l'action humaine nuisent à l'équilibre dynamique du climat de notre planète. Une fois que le changement climatique est lié au niveau de CO 2 dans l'atmosphère, il convient d'analyser les sources de pollution pour pouvoir prendre des mesures. Selon un rapport des Nations Unies de 1998, le secteur des transports est responsable de 27% des émissions de CO 2.

Il semble que les trains doivent offrir des services plus rapides pour que la voiture soit plus compétitive sur de courtes distances que l'avion. En plus d'être possible, moins de pollution peut se produire que dans d'autres transports. Par exemple, en 1998 tous les trains suisses étaient électriques et 97% de l'énergie utilisée était hydroélectrique renouvelable. Le plus grand avantage des trains électriques est que l'énergie qu'ils utilisent peut être produite à partir de sources renouvelables. Mais cela ne signifie pas que tout est obtenu au niveau du véhicule.

Il existe de nombreuses mesures pour réduire la consommation énergétique des trains. L'une des plus simples est l'allégement du poids, comme mentionné ci-dessus, en utilisant des boîtes en aluminium ou des composants électroniques plus légers. Il existe également des techniques pour améliorer l'union entre roues et viscères. En outre, une partie de l'énergie dissipée avec le freinage régénératif peut retourner au réseau électrique.

D'autre part, l'incidence paysagère des chemins de fer est préoccupante, notamment des corridors à grande vitesse. La stratégie à ce jour était la construction de lignes spéciales pour atteindre 300 km/h. Ces lignes présentent de petites courbes qui déforment souvent le paysage avec de nombreuses tranchées, ponts et tunnels. L'implantation de systèmes de basculement dans ces trains rapides permet également l'incorporation de nouvelles courbes d'adaptation au paysage dans de nouveaux corridors à grande vitesse. L'environnement sera ainsi préservé et les coûts de construction et d'entretien des voies seront réduits. En outre, il sera possible d'utiliser les chemins déjà construits pour le service à vitesse moyenne. Ainsi, les travaux publics qui nuisent à l'environnement ne seront pas nécessaires.

Un autre problème important est le bruit des trains, source de pollution sonore. Selon le chercheur japonais Tatsu ou Maeda, auteur de recherches dans les corridors à grande vitesse de Shinkans, la structure du train et le faible design extérieur sont responsables du bruit. Une équipe de l'Institut de développement ferroviaire (RTRI), sous la responsabilité de Maeda, a souligné que les pantographes et bogies sont les éléments les plus bruyants du train. Pour résoudre le problème, vous pouvez construire des trains avec moins de pantographes et moins de bogies que les trains articulés. Les mesures prises au Japon ont porté leurs fruits: En 1982, les trains de 210 km/h produisaient un bruit de 79,5 dB, tandis qu'en 1997 ceux de 300 km/h produisaient seulement 76 dB. Il semble qu'ils vont bien.

Voyageurs voyageurs

Après ce voyage à travers les technologies qui façonnent le futur train, il y a une conclusion. La société a besoin et aura plus de passagers ferroviaires, à grande vitesse comme dans des tramways ou des mètres urbains. Bien que l'utilisation du train soit entre les mains de tous les gouvernements et de toutes les personnes, il semble que ce moyen de transport récupérera son espace entre nous. L'écrivain Paul Theroux a dit une fois que «le train n'est pas un véhicule. Le train est une partie plus d'un pays, c'est un endroit." Laissons le train nous emmener dans un monde meilleur.