Chemin de fer numérique

Personne n'avait eu l'intention de faire l'histoire du chemin de fer le 5 mai 1998. C'est juste qu'il y avait une pénurie de locomotives à Phippsburg, CO. Au lieu des cinq locomotives habituelles, seulement quatre étaient disponibles pour tirer un train de charbon de 108 voitures jusqu'à Union Pacific La pente raide de Toponas du chemin de fer sur le versant ouest des montagnes Rocheuses. La suite est, chez les constructeurs de locomotives, légendaire.

Les locomotives étaient de tout nouveaux mastodontes de General Electric avec une particularité : leurs moteurs de traction fonctionnaient sur du courant alternatif plutôt que sur du courant continu. Montant la pente de Toponas ce jour-là, les trains ont ralenti à un rythme à peine perceptible de six mètres par minute. Aucun ingénieur qui se respecte n'aurait tenté un tour aussi téméraire avec des moteurs conventionnels à courant continu : les roues auraient patiné, le train aurait calé, et les moteurs eux-mêmes auraient été frits comme un œuf. Mais aucune de ces choses ne s'est produite. En effet, une enquête ultérieure a montré que les locomotives produisaient plus de puissance de traction qu'on ne le pensait possible à cette vitesse. Cet exploit de force a initié une transformation radicale du chemin de fer, une révolution qui découle directement des progrès de la technologie de l'information.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2002

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Technologiquement parlant, il est difficile de trouver quoi que ce soit dans le domaine ferroviaire qui n'ait pas changé au cours de la dernière décennie. Des dizaines de microprocesseurs dans les locomotives diesel d'aujourd'hui font fonctionner presque tous leurs systèmes, de l'alimentation en carburant à la climatisation de la cabine. Les lignes de poteaux qui passaient autrefois devant les fenêtres des trains de voyageurs à grande vitesse disparaissent au profit des communications par micro-ondes ou par fibre optique. De nouveaux systèmes expérimentaux de répartition et de contrôle pourraient bientôt indiquer aux ingénieurs s'ils utilisent les réglages d'accélérateur les plus économes en carburant.

Dites les trains à la plupart des gens et ils pensent à la variété des passagers. Mais aux États-Unis, les chemins de fer avec le plus grand impact économique sont ceux qui transportent des marchandises. Les chemins de fer transportent 25 % du fret américain. Ils sont de loin le moyen le plus efficace de déplacer le charbon, les céréales et les produits chimiques en vrac. Mais les compagnies de chemin de fer entretiennent depuis longtemps une sorte de relation amour-haine avec la technologie de pointe. Ils n'ont abandonné les locomotives à vapeur à charbon, par exemple, que lorsque General Motors a développé le moteur diesel-électrique et a fait des démonstrations aux chemins de fer du pays dans les années 1940. Et même alors, de nombreux chemins de fer sont restés bloqués pendant des années.

Cependant, au cours de la dernière décennie, les chemins de fer se sont engagés dans leur propre version d'une révolution de l'information. La combinaison d'ordinateurs et de systèmes sans fil donne aux chemins de fer une plus grande capacité de service à la clientèle et une meilleure répartition et un meilleur contrôle des coûts, ainsi que de se passer d'armées de commis. Charles Dettmann, vice-président exécutif des opérations, de la recherche et de la technologie à l'Association of American Railroads basée à Washington, DC, soutient que la compétitivité des chemins de fer - peut-être même leur existence - dépend de leur utilisation des technologies de l'information.

Les compagnies de chemin de fer sont très difficiles à vendre. Je suis généralement en mesure de les pousser plus loin qu'ils ne le souhaitent, explique Carl D. Martland, associé de recherche principal au Center for Transportation Studies du MIT et consultant auprès de l'industrie ferroviaire. Ils insistent pour savoir qu'il y aura un avantage de productivité et n'iront que dans la mesure où cet avantage les mènera. Ils ont fait un très bon travail en disant : est-ce que cette technologie me fait du bien ? »

Chemin de fer miniature

Il y a à peine deux décennies, le bassin de la Powder River dans l'est du Wyoming était un arrière-pays aride et sans arbres avec peu de gens et aucune industrie. Mais la région possédait quelque chose dont les États-Unis avaient soudain besoin au début des années 90 : beaucoup de charbon à faible teneur en soufre et relativement propre. En fait, une épaisse couche de charbon s'étend sous le tiers oriental du Wyoming. Et le seul moyen pratique de transporter autant de charbon hors du bassin éloigné de la rivière Powder est le train.

Les deux chemins de fer qui desservent la région - Union Pacific et Burlington Northern Santa Fe - ont dépensé plus de 5 milliards de dollars pour construire le système ferroviaire industriel le plus grand et le plus moderne du pays. Poussée par le resserrement des réglementations sur la pollution de l'air, la demande de charbon à faible teneur en soufre est désormais en plein essor au-delà des rêves les plus fous de quiconque ; une section de la ligne est devenue le premier tronçon de rail de l'histoire à supporter plus d'un milliard de kilogrammes par jour.

Et parce que le chemin de fer et les mines sont nouveaux, l'exploitation de Powder River fournit une table rase pour la création de l'exploitation la plus efficace possible, sans le fardeau des anciennes infrastructures et de la technologie obsolète que les chemins de fer ont souvent continué à faire fonctionner. On ne voit nulle part les travailleurs qui autrefois copiaient laborieusement tous les numéros de voiture et les faxaient au siège. À mesure que chaque train vide entre dans la mine et à chaque départ de train chargé, les scanners lisent les étiquettes d'identification automatique, enregistrent chaque numéro de wagon et transmettent les données au centre de répartition Harriman d'Union Pacific à Omaha, dans le NE.

Le Centre Harriman est au cœur d'un effort ambitieux visant à diriger tout un système ferroviaire à partir d'un emplacement central pour envoyer des trains à l'aide d'un programme informatique qui choisit les points de rencontre ou de passage. Le système Harriman contrôle le trafic sur plus de 27 000 kilomètres de voies de l'Union Pacific dans 23 États-même si les répartiteurs humains peuvent intervenir à tout moment s'ils ne sont pas d'accord avec les choix de l'ordinateur-et il permet la coordination, des jours à l'avance, des mouvements sur le chemin de fer entier plutôt que sur une seule ligne ou division.

Les trains vides entrent dans le silo à charbon du bassin de la Powder River sous l'équivalent ferroviaire du régulateur de vitesse. Les trains avancent à environ 1,5 kilomètre à l'heure, des vitesses que seul l'ingénieur le plus habile peut atteindre à la main. Des goulottes de chargement informatisées remplissent chaque wagon avec le poids prévu de charbon - 100 000 kilogrammes, avec une précision d'environ 0,2 pour cent. Un train peut être rempli de charbon en 45 minutes, soit environ deux fois plus vite que les chargeurs automatiques précédents pouvaient le faire.

Alors que les trains de charbon quittent les champs de Powder River, les locomotives communiquent constamment avec le siège de l'Union Pacific à Omaha. Le flux de données donne un récit en cours de l'état du train, tel que rapporté par un ensemble de capteurs qui surveillent, par exemple, la pression d'huile, la température de fonctionnement, la puissance et le taux de consommation de carburant. Autrefois (disons au début des années 1990), les ingénieurs savaient que quelque chose n'allait pas avec une locomotive seulement lorsqu'elle était déjà en grave difficulté. C'est à ce moment-là que la sonnette d'alarme sonnait ou que le moteur s'arrêtait soudainement ou se mettait à fumer. Union Pacific équipe l'ensemble de sa flotte d'ordinateurs de bord qui suivent en permanence l'emplacement et l'état des locomotives, puis transmettent ces informations à un bureau de maintenance au siège.

Une fois la flotte équipée, une locomotive donnée signalera au centre d'Omaha qu'elle a un problème bien avant d'en informer le mécanicien. Les capteurs devraient généralement détecter les problèmes à des centaines ou des milliers de kilomètres avant qu'ils ne deviennent suffisamment graves pour que l'ingénieur s'en soucie. L'information selon laquelle un moteur consomme 15 pour cent de carburant de plus que la normale, par exemple, ne préoccupe guère le mécanicien, mais intéresse beaucoup les techniciens de maintenance qui surveillent la locomotive.

Installer des ordinateurs sur des locomotives n'est pas exactement comme les placer dans l'environnement contrôlé d'un bureau. La saleté, les vibrations et les extrêmes de chaud et de froid font partie du fonctionnement quotidien des chemins de fer. Union Pacific a expérimenté pendant des mois différents types de supports antichocs et de matériaux de contrôle des vibrations. Selon le directeur de la technologie Lyden Tennison, des leçons ont été tirées d'une autre entreprise qui connaît une chose ou deux sur l'adaptation d'équipements de haute technologie à des conditions inhospitalières. Nous avons beaucoup appris de l'armée, dit-il. Les techniciens de locomotive ont d'abord été amusés, par exemple, d'apprendre que les militaires maintenaient les processeurs branchés dans leurs prises sous une vibration constante en les attachant avec du fil dentaire. Amusée, mais impressionnée : Union Pacific a adopté cette solution.

AC DC

Tout au long de l'ère diesel, les locomotives fonctionnaient selon un principe simple : un moteur diesel faisait tourner un générateur qui produisait du courant électrique alternatif, qui était ensuite converti en courant continu pour faire fonctionner les moteurs de traction qui entraînaient les essieux. Le bond en avant qui a rendu possible l'obtention du grade Toponas dépendait d'un changement fondamental de technologie au cours des années 1990, passant des moteurs à courant continu aux moteurs à courant alternatif. Ce changement a été rendu possible par la disponibilité de microprocesseurs rapides et peu coûteux.

La puissance d'une locomotive à courant continu et d'une locomotive à courant alternatif commence son chemin vers les roues de la même manière. Dans les deux types, un moteur diesel fait tourner un générateur qui produit du courant alternatif, qui est ensuite converti en courant continu. (Le courant alternatif de démarrage, à un rythme constant de 60 cycles par seconde, ne pouvait faire fonctionner la locomotive qu'à une seule vitesse.) Ici, cependant, les technologies divergent. Dans une locomotive à courant continu, le courant continu va directement aux moteurs qui font tourner les roues. Dans un moteur à courant alternatif, le courant continu traverse une série de composants contrôlés par ordinateur appelés onduleurs, qui coupent le courant continu en courant alternatif. Ce courant alternatif est à son tour alimenté aux moteurs.

Les puces informatiques rendent les moteurs à courant alternatif pratiques en régulant le flux d'énergie avec une précision impossible par tout autre moyen. Les puces surveillent et contrôlent le courant continu entrant dans les onduleurs et s'assurent qu'elles fournissent la quantité appropriée de courant alternatif aux moteurs de traction. Ce n'est pas une mince affaire : chaque onduleur peut nécessiter jusqu'à 500 commandes marche-arrêt par seconde pour réguler le flux CA. Et tandis que 500 commandes par seconde peuvent sembler peu impressionnantes en une journée de puces gigahertz, la comparaison appropriée n'est pas avec d'autres ordinateurs mais avec des êtres humains. Imaginez un mécanicien de train essayant de faire 500 changements de position des gaz à chaque seconde.

Les moteurs à courant alternatif sont plus robustes que leurs cousins ​​à courant continu. Ils ont été soumis à des tests brutaux qui ont exigé une production d'énergie maximale, parfois pendant des jours. Ces tests sont allés bien au-delà de tout ce que le pire environnement ferroviaire pouvait produire, et les moteurs n'ont jamais failli surchauffer, selon Michael E. Iden, directeur général de l'ingénierie automobile et locomotive de l'Union Pacific. Tant que l'équipement fonctionne correctement, les moteurs à courant alternatif ne devraient jamais griller, dit Iden. De nombreux chemins de fer utilisent même la puissance des locomotives à courant alternatif au lieu des freins à air pour maintenir les trains à l'arrêt sur des pentes lourdes, dit Iden. Cette technique, qui évite le processus fastidieux de pompage des freins à air, ferait frire un moteur à courant continu en quelques minutes.

Au-delà de leur capacité à tirer des charges plus lourdes, les moteurs à courant alternatif améliorent l'efficacité globale. Chaque roue de locomotive entre en contact avec une zone de rail pas plus grande qu'un nickel. Le pourcentage de poids sur cette roue qui est converti en puissance de traction est appelé adhérence. Alors que les meilleurs moteurs à courant continu peuvent atteindre une adhérence d'environ 30 %, les locomotives à courant alternatif tirent parti d'un contrôle informatique précis des moteurs de traction pour obtenir une adhérence moyenne de 34 à 38 % ; chaque point de pourcentage de gain d'adhérence fournit la puissance de traction de cinq wagons à charbon supplémentaires à pleine charge.

Faire des pistes

Les trains doivent circuler sur des rails, bien sûr. Et une fois posés, le rail et les traverses doivent être entretenus et inspectés. Les technologies de l'information jouent un rôle transformateur dans cette affaire traditionnellement à forte intensité de main-d'œuvre. Les deux ou trois dernières années, par exemple, ont vu l'avènement de systèmes d'alignement de rails qui utilisent des lasers pour mesurer la distance et la direction. Les ordinateurs déterminent ensuite la courbure et l'angle d'élévation corrects d'une voie et transmettent les informations aux machines qui mettent le rail et les traverses en place. L'important est la capacité de mesurer rapidement la géométrie de la voie, sans dépendre de la vue humaine, explique Louis Cerny, consultant indépendant en chemin de fer à Gaithersburg, dans le Maryland.

Un travail d'entretien ferroviaire particulièrement fastidieux - l'étalement du ballast rocheux entre les voies - reçoit également une dose d'adrénaline. En juin, Herzog Contracting, une entreprise de construction de chemins de fer basée à St. Joseph, MO, a livré un nouveau train de ballast à Union Pacific. Le déchargement de 60 wagons de ballast prend normalement au moins deux jours; Le train d'Herzog fait le travail en 30 minutes. Au fur et à mesure que le train avance, des ordinateurs guidés par des satellites du système de positionnement global décident quelles portes de voiture ouvrir et combien de ballast pomper (même en interrompant le flux aux passages à niveau).

Des avancées similaires facilitent l'inspection des voies. Ce travail était autrefois le domaine d'un marcheur solitaire, portant quelques outils lourds, qui marchait le long de la voie pour voir si elle bougeait, ou si les pointes se détachaient ou si les joints des rails fléchissaient trop. Le nec plus ultra en matière d'inspection automatisée des voies est un système livré en 1999 à la Federal Railroad Administration par Plasser American, un fabricant de voitures d'inspection, et Ensco, un fabricant de matériel et de logiciels d'inspection ferroviaire. Cette masse automotrice de capteurs et d'ordinateurs, roulant jusqu'à 145 kilomètres à l'heure, génère des lectures de l'état de la voie et envoie des équipes sur les lieux de tout problème. La plupart des grands chemins de fer de marchandises aux États-Unis utilisent actuellement ces wagons ou les ont commandés.

Ensco a également développé des systèmes de surveillance à distance qui peuvent être installés sur n'importe quel wagon ou locomotive. Les systèmes, maintenant en service pour Amtrak et plusieurs chemins de fer de banlieue, évaluent continuellement les anomalies de la voie, la qualité de roulement et la santé mécanique d'une locomotive. Lorsqu'un problème apparaît, les moniteurs envoient une alarme via une liaison sans fil satellite ou terrestre. Des informations détaillées sur le problème et son emplacement exact sont alors accessibles via Internet. D'autres nouveaux équipements d'inspection utilisent la vision informatisée pour rechercher des défauts dans les flexibles de freins à air entre les voitures. Les lasers pulsés, se déployant en forme de tranche de tarte, peuvent produire avec précision une image de la roue en enregistrant les défauts de surface mieux qu'un inspecteur expérimenté lorsque la roue est à l'arrêt. Tous ces détecteurs sont conçus pour signaler les points chauds à l'équipe de train ou au répartiteur avant qu'un petit problème ne se développe et ne provoque un naufrage.

Sur toute la ligne

Avec le coût de la technologie en baisse constante, les chemins de fer peuvent être prêts pour une autre ronde d'automatisation. Le premier candidat est une idée que les chemins de fer ont jusqu'à présent évitée, appelée contrôle positif des trains. Les ordinateurs qui contrôlent la manette des gaz et les freins d'une locomotive seraient équipés de récepteurs du système de positionnement global qui leur indiqueraient précisément où ils se trouvent et à quelle vitesse ils roulent. La modification a été initialement proposée comme une amélioration de la sécurité, pour éviter les collisions : si un ingénieur dépasse un signal d'arrêt, le système signale à l'ordinateur de ralentir ou d'arrêter le train. Cette demande n'a cependant pas réussi à convaincre les chemins de fer. Cela aurait coûté beaucoup d'argent pour une amélioration minimale de la sécurité et n'était donc pas rentable, explique Martland du MIT.

Mais de nombreux responsables des chemins de fer commencent à comprendre l'analyse de rentabilisation d'un contrôle positif des trains : la même technologie fournit des mises à jour continues sur l'emplacement de chaque locomotive sur le chemin de fer. Une technologie avancée de suivi et de contrôle est déjà en place sur les trains de voyageurs à grande vitesse tels que ceux de la ligne Boston-Washington. La technologie est également en cours de développement dans un certain nombre d'entreprises, notamment Union Switch and Signal, basée à Pittsburgh.

La combinaison de satellites et d'ordinateurs pour contrôler la vitesse d'un train n'est qu'une étape vers un fonctionnement entièrement automatisé par ordinateur. Les métros fonctionnent régulièrement de cette façon ; le chauffeur accompagne le trajet. Mais un train de marchandises n'est pas aussi simple qu'un métro. Un long train peut monter une pente et en descendre une autre en même temps, par exemple. Et chaque train de marchandises a ses propres caractéristiques de freinage, qu'un ingénieur doit rapidement maîtriser ; une mauvaise gestion d'un train peut causer de graves dommages, comme des attelages déchirés et peut-être même des déraillements. Cependant, certains chemins de fer expérimentent des ordinateurs capables d'apprendre les caractéristiques d'un train aussi rapidement qu'un ingénieur le peut. Par exemple, les ordinateurs ont pris le contrôle de trains de minerai lourd dans le Minnesota, fonctionnant efficacement et s'arrêtant en douceur aux signaux rouges.

La prochaine étape logique est le fonctionnement entièrement automatique, avec un ingénieur à bord uniquement en tant que moniteur. Bien que la technologie pour mettre en œuvre cela existe en grande partie, d'autres facteurs constituent des obstacles. Les coûts initiaux élevés, par exemple, découragent les chemins de fer d'installer de nouveaux systèmes qui n'offrent pas un avantage net évident. La sécurité est une autre préoccupation; les systèmes de contrôle automatisés doivent être prouvés extrêmement fiables avant qu'on puisse leur faire confiance pour remplacer les opérateurs humains, et ce n'est que lorsqu'une telle substitution est possible que la technologie a une grande rentabilité économique.

L'informatisation a déjà permis aux chemins de fer de fonctionner avec moins de personnes. Les développements les plus récents représentent une attaque contre les emplois des deux personnes les plus importantes qui dirigent un train : l'ingénieur et le conducteur. Et le déploiement nécessite de renégocier les contrats avec les syndicats représentant les travailleurs que de nouveaux systèmes pourraient déplacer.

Il semble que la longue ascension du grade Toponas ne soit que le début d'un voyage accéléré vers un avenir automatisé par ordinateur. Selon Iden d'Union Pacific, nous commençons tout juste à profiter des avantages de la technologie.

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