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Matériaux, internet des objets et numérique
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Demain
L'auteur
Frédéric de Kemmeter 
Train & signalisation - Obser-vateur ferroviaire depuis plus de 30 ans. Comment le chemin de fer évolue-t-il ? Ouvrons les yeux sur des réalités complexes de manière transversale
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Le vieux chemin de fer dans le XXIème siècle technologique et digital. Personne n'y croyait dans les années 70 et 80, persuadé qu'une technique du XIXème siècle était amenée au déclin irréversible. Deux facteurs prouvent l'inverse : 
• le chemin de fer est bien passé de la première révolution industrielle (charbon), à la seconde (énergie fossile et électrique) 
• le chemin de fer, globalement en retrait depuis les années 60, redevient une option pour un futur décarboné et, moyennant une profonde mutation de son exploitation, il est capable de répondre aux nouvelles donnes sociétales.

Parmi les nouvelles donnes, celle du numérique est la plus révolutionnaire. Elle correspond à la troisième révolution industrielle, celle des données, des datas. Qui détient les données numériques sera roi du monde. C'est déjà le cas des GAFAM (Google, Amazon, Facebook, Apple et Microsoft), ces géants qui savent tout de votre vie privée. Le numérique est à la fois une opportunité mais aussi un immense défi pour le chemin de fer : le risque de ne pas exister sur les recherches internet. Or, si on veut décarboner le monde, l'internaute doit connaître votre exitence, vos offres de services et quel prix il est demandé pour se déplacer de A vers B. Sur ce thème, la concurrence est extrêment rude car l'accumulation des données de tous les types de transport et leur analyse rapide en quelques secondes sur les serveurs des GAFAM peut se traduire par des offres de transport qui évitent le train. Le train doit donc être présent sur internet de manière multiple : 
• en faisant mieux et moins cher (exploitation rationnelle avec les outils numériques);
• en promotionnant des offres rapidement compréhensibles et en distillant en temps réel l'info trafic;
• en construisant du matériel fiable, moins lourd, moins agressif pour la voie grâce à de nouvelles technologies; 
• en fiablisant l'exploitation par une surveillance en temps réel des éléments techniques (usures, dégradations,...)

En cette ère où tout est interconnecté, le chemin de fer ne peut plus, comme jadis, vivre en autarcie, à l'écart du monde. Il est désormais encastré dans les nouvelles technologies, la transformation énergétique et les nouvelles pratique sociétales.
Le big data et l'Internet des objets
Selon le Forum international des transports, d'ici 2050, la mobilité des passagers augmentera de 200 à 300% et l'activité fret de 150 à 250%. Cela signifie que des solutions intelligentes devront être mises en œuvre pour accroître les capacités de transport de marchandises et de voyageurs. Le rythme des changements technologiques rend difficile de prévoir l'avenir avec exactitude. Cependant, les tendances se dessinent vers des systèmes intégrés pour le déplacement des passagers et du fret.  
 
Pour le transport, les progrès dans les communications d'information auront des répercussions considérables, tant au niveau efficacité qu'au niveau écologique. La technologie machine-machine (M2M) augmentera en efficacité grâce à l'utilisation de capteurs intégrés dans une large gamme d'objets et de systèmes pour automatiser les tâches et pour fournir des analyses et des diagnotiques très rapides. L'augmentation de la puissance des microprocesseurs et des capacités des ordinateurs permettra le traitement de très grandes quantités de données en temps réel, avec une utilisation plus efficace des données. Le Big Data et l'Internet des objets permettront aux modes de transport de communiquer entre eux dans un environnement plus large, ouvrant la voie vers des solutions de transport véritablement intégrées et intermodales.

Les analyses de données volumineuses ont le potentiel d'influencer plusieurs dimensions du secteur ferroviaire et peuvent surmonter les complexités organisationnelles, opérationnelles et techniques, y compris les effets économiques et humains et le traitement de l'information.
>  Capteurs et collecte des données
Constats: 
> Le Big Data implique la collecte de données d'un grand nombre d'objets connectés. Les applications de traitement traditionnel sont devenus obsolètes. La collecte des données se fait par différents outils, à commencer par les 50 milliards d'appareils connectés qui permettent de suivre les citoyens dans chacun de leurs mouvements et préférences. Des capteurs en grand nombre sont installés sur le matériel roulant, sur la voie et sur les cartes de voyage diverses, ainsi que dans les gares et lieux publics. 
Impact sur le rail : 
> Les entreprises ferroviaires et de transport publics disposent déjà d'objets connectés : les tourniquets d'entrée du métro, par exemple, ou les appareils qui scannent les billets des voyageurs.  Des capteurs détectant un changement de température peuvent déclencher la climatisation. C’est ainsi que les données aident les opérateurs à fidéliser leurs clients et à générer davantage de revenus. La croissance exponentielle des données à traiter est un défi pour le chemin de fer.
>  L'analyse des données
Impact sur le rail : 
> Le défi pour les entreprises ferroviaires consiste maintenant à mettre au point une stratégie efficace en matière de gestion de grands volumes de données (Big Data). Il s'agit de permettre aux entreprises de comprendre ce déluge de données, de comprendre les événements, de tirer des conclusions viables et de réagir intelligemment en temps réel. Tout cela conjugué avec les comportements très variés de chaque utilisateur du rail. L'expérience voyage, même de courte durée, a un impact considérable sur la réussite du transfert modal.
Constats: 
> La science des données est un domaine interdisciplinaire qui utilise des techniques et des outils d'analyse en évolution pour extraire des connaissances ou des idées à partir de données sous différentes formes, structurées ou non. Elle fournit des moyens (et des outils) pour gérer et tirer profit du Big Data, notamment pour identifier les tendances, découvrir les relations et développer des capacités d'analyse prédictive, ainsi que pour donner du sens à des images, des flux de données et des informations variés.
>  Interconnexion et gestion du trafic
Impact sur le rail : 
> Les mégadonnées permettront des systèmes de gestion du trafic automatisés, interopérables, interconnectés et avancés; Des systèmes évolutifs et évolutifs, utilisant des produits et des interfaces standardisés, faciliteront la migration des systèmes existants. L'utilisation du big data dans les chemins de fer permettra d'avoir une approche normalisée du système de gestion de l'information et de répartition permettant un système de gestion du trafic (TMS) intégré prenant en charge tous les systèmes opérationnels de transport avec des interfaces normalisées.
Constats: 
> Les systèmes de gestion du trafic (TMS) comprennent des sous-systèmes, souvent dotés de capacités d'intégration limitées et d'interfaces et de règles d'affichage non normalisées. Le nombre et la diversité des actifs connectés rendent l’intégration de la collecte des données extrêmement difficile à analyser. Par conséquent, les informations sur l'état des actifs du réseau ne peuvent pas être largement comprises et exploitées de manière fiable. Il en va de même quand il s'agit par exemple des horaires en temps réel d'un autre exploitant.
>  Vers le train autonome ?
Impact sur le rail : 
> Le train dispose déjà d'une sécurité élevée, pour autant que les conditions soient réunies pour qu'il n'y ait pas d'obstacles devant le train. L'analyse des données en temps réel doit pouvoir donner les ordres de mouvements nécessaires à un train pour démarrer ou freiner à temps. Le train sans conducteur existe déjà au niveau du métro automatique. Il est plus difficile à mettre en oeuvre dans un environnement hétérogène où se mêlent des trains aux missions différentes (omnibus, express, marchandises).
Constats: 
> La véhicule routier autonome est le grand challenge du moment mais on ne le prévoit pas avant les années 2030. Il fonctionne sur une analyse de centaines de données de son environnement, captées en temps réel, pour distinguer ce qui est un obstacle de ce qui ne l'est pas. Une fois encore, il est nécessaire d'avoir un grand nombre d'objets connectés et analysés pour pouvoir ordonner un ordre de mouvement à un véhicule. La diminution drastique du prix des capteurs et les capacités exponentielles de traitement des données promettent des avancées significatives.
>  Un gain pour la recherche
Impact sur le rail : 
> L'accumulation des données donne une réelle opportunité d'utiliser la modélisation numérique avancée. Grâce à des techniques expérimentales et analytiques de pointe et à l'intégration de modèles comportementaux avancés dans les domaines de la géomécanique, on peut ainsi tester de nouveaux systèmes de voie, de dynamique du véhicule, de bruit et de vibrations. Les capteurs permettent aussi d'étudier le comportement de la clientèle en gare et dans les trains et de repenser ainsi leur design.
Constats: 
> L'IoT et le big data intéressent tous les secteurs, que ce soit la santé, l'enseignement, les universités, la recherche scientifique, l'interopérabilité des données, mais aussi le design et développement. Certains États ont déployés des efforts financiers importants dans la recherche, notamment au niveau des matériaux, du bruit, de l'usure ou du bilan carbone. La science comportementale prend de plus en plus d'importance alors que la démographie est croissante et que la durabilité de la planète est une question permanente
Les nouveaux matériaux
Les industries investissent désormais massivement dans la recherche et le développement afin de développer des systèmes de transport sûrs, respectueux de l'environnement, confortables et performants. Car le numérique n'est pas tout : il faut aussi intégrer de considérables progrès dans les matériaux physiques. Le chemin de fer est un grand consommateur d'acier, de plastique et de cuivre (câbles électriques), trois domaines dans la ligne de mire des secteurs qui doivent opérer des mutations au niveau environnemental. 

Les nouvelles technologies contribuent au développement, par exemple, d'une voie de chemin de fer moins chère et plus silencieuse, d'une durée de vie supérieure et nécessitant moins de maintenance pour les opérateurs de réseau ferroviaire. Un autre domaine est celui des semelles de freins des wagons de marchandises. Mais il y a surtout l'allègement du poids des véhicules ferroviaires, usant moins la voie tout en restant dans les limites d'une bonne résistance aux crash. La réduction du poids du matériel roulant est un élément clé de la réduction de la consommation d'énergie. Les matériaux composites en fibre de carbone sont particulièrement légers, tout en étant incroyablement solides, ce qui les rend parfaits pour une utilisation dans le matériel roulant. Des matériaux comme le graphène, qui est révolutionnaire dans sa force, sa flexibilité et sa conductivité, pourrait avoir de nombreuses applications et fournir un support dans de nouvelles structures. 
 
L'évolution de la science des matériaux améliore aussi considérablement la performance des batteries, modifiant par là même le potentiel de stockage de l'électricité. L'impression 3D devrait révolutionner la chaîne d'approvisionnement, réduisant ainsi le besoin de fabrication, de transport et de stockage en série, et permet de faire face à l'urgence. Certains secteurs industriels verront le passage d'une production entralisée vers davantage de décentralisation.
>  Fibres de carbone, nanotechnologies, graphène
Constats: 
> Motivés par la structure unique et les propriétés exceptionnelles du graphène, les nanocomposites polymères ont pris une importance exceptionnelle au cours de la dernière décennie en raison de leur vaste éventail d'applications hautes performances dans divers domaines de l'ingénierie et des technologies, au vu de leurs propriétés matérielles particulières. Les recherches ont permis d'obtenir des matériaux composites plus résistants au feu, aux contraintes mécaniques et avec des propriétés optique et électrique intéressantes tout en les rendant plus légers, plus faciles à fabriquer et moins chers. Cela impacte évidemment tous les transports.
Impact sur le rail : 
> Rappelons qu'un TGV Duplex à 17 tonnes à l'essieu ne fut possible en 1995 qu'avec l'adoption de matériaux légers, mais plus coûteux. L'Unife avait lancé ensuite son projet REFRESCO qui démontra que les composites avaient leur place dans la partie de structure, que ce soit pour les locomotives ou les wagons. Les nanotechnologies intéressent maintenant le rail et peuvent être appliquée aux carrosseries, aux châssis, aux éléments intérieurs, à l’électricité et à l’électronique. Des recherches ont montré que l’ajout de nanoparticules de cuivre réduisait les irrégularités de surface de l’acier, limitant ainsi le nombre de fissures par fatigue et augmentant la durée de vie.
>  Les imprimantes 3D
Constats: 
> Les technologies perturbatrices peuvent être encore plus utiles lorsqu'elles sont combinées, dit-on. L'IoT et les imprimantes 3D peuvent révolutionner le monde de l'industrie. L'impression 3D interne ou à proximité immédiate permet de réduire les temps d'attente et de rendre les entreprises plus efficaces. Dans le secteur aérospatial, les avions immobilisés ou retardés entraînent des pertes de revenus et des clients insatisfaits. La technologie d'impression 3D peut réduire les retards dus aux manques de pièces. Les imprimantes 3D permettent une production à faible volume sans trop d'investissements, de sorte qu'elles puissent économiser ce capital pour d'autres tâches importantes, telles que le marketing.
Impact sur le rail : 
> L'arrivée des imprimantes 3D, tout comme les objets connectés, fait une timide entrée aux chemins de fer. Mais avec les leasing de très parcs de véhicules, les autorités organisatrices de transport, qui payent le matériel roulant, exigent une fiablité maximale dépassant les 95% de rames disponibles. Pour y arriver, des constructeurs comme Siemens construisent leur propre dépôt et y introduisent des imprimantes 3D pour avoir la certitude d'obtenir une pièce de rechange tout de suite, sans délais. Siemens Mobility est maintenant en mesure de produire des composants reproductibles selon les cahiers de charge ferroviaires et qui possèdent les propriétés matérielles requises selon la certification EN45545-2.
L'expérience client
Les services basés sur les cloud ​​deviendiennent de plus en plus omniprésents, alimentés à la fois par des mobiles périphériques plus intelligents et dotés d'une connectivité ultra rapide. La technologie intelligente fournit aux voyageurs des informations utiles et des services plus complets, ainsi qu'un sentiment de contrôle et de participation active. Les billets interopérables, valables pour les trains, les autobus, le covoiturage et les vélos, devraient encourager les déplacements intermodaux en assurant des liaisons sans hiatus avec d'autres modes. 
 
Ce qu'on appelle le Web 3.0 sera sur le Web sémantique (ou la signification des données), la personnalisation, la recherche intelligente et la publicité comportementale. À mesure qu'elle se développera, elle offrira aux utilisateurs des expériences de plus en plus riches et pertinentes. Les utilisateurs seront en mesure d'accéder aux données de n'importe qui à travers des appareils intelligents. La rapidité et l'accès aux données influenceront les relations des usagers avec le transport, ce qui influera leurs processus décisionnels.

Les voyageurs s'attendent à une certaine sécurité et à une fiabilité des informations en temps réel, afin de pouvoir optimiser rapidement leur trajet et le coût de celui-ci. Les produits et services axés sur le client sont basés sur une importante quantité d'informations concernant les voyageurs et leurs besoins. Ainsi, la localisation des personnes grâce à leur mobile permet déjà de mesurer l'encombrement des routes ou des transports publics, et de mesurer les vitesses moyennes qu'effectuent les usagers sur un tronçon donné, en temps réel.
>  Mieux connaître le client
Constats: 
> Actuellement, plus de 50 milliards d'appareils connectés collectent annuellement plus de 2,3 zettaoctets de données dans le monde. Chaque voyageur potentiel laisse donc derrière lui une grande quantité de données, sur ses préférences, en matière de planification, de recherche, de comparaison, de réservation, d'annulation, de commentaires, etc., le tout dispersé sur plusieurs appareils et plusieurs flux. Pour les opérateurs de services, le véritable défi consiste à consolider et à utiliser ces masses de données.
Impact sur le rail : 
> Les opérateurs doivent exploiter des informations exploitables à partir des données reçues et créer un avantage concurrentiel en matière de service client. On peut ainsi déterminer quel client préfère telle place et tel confort. On peut même déterminer le choix de boisson à bord des trains grande ligne. On peut aussi, dans les trains régionaux, déterminer les taux de charges dans différents endroits du train, selon les sièges occupés. Et bien entendu fournir des l'info en temps réel, ce qui est essentiel de nos jours.
>  Applications, offres de service et Mobility as a Service (MaaS)
Constats: 
> L'évolution de la fourniture de transports s'est traduite par la mise en place d'un réseau complexe d'organisations privées et publiques fonctionnant séparément et souvent régulées par «mode». Les données partagées et ouvertes sont collectées à partir de divers appareils connectés mais ne sont pas toujours utilisées de manière pro-actives. Pour organiser un trajet porte à porte, il est impératif de collecter, traduire et présenter des quantités de données provenant de différents opérateurs. 
Impact sur le rail : 
> Le principe du porte à porte est un défi de taille pour le chemin de fer car c'est précisément son plus grand handicap. Outre les données ouvertes «rail», il faut aussi collecter et traduire les données «des autres», et parfois des concurrents. Le tout doit être traduit et présenté sur une interface lisible et facile d'utilisation, non seulement en information, mais aussi au niveau paiement. C'est le principe du MaaS, le Mobility as a Service, qui combine plusieurs «modes» pour n'offrir qu'un seul transport.
>  Facilités de paiement
Constats: 
> La billetterie numérique ne se limite pas à la carte bancaire, elle permet aux consommateurs de se déplacer librement d’une porte à l’autre, peu importe le mode, grâce à la convergence de la billetterie et du paiement. Les clients recherchent choix, souplesse et rapidité pour payer les tarifs de transport public, que ce soit avec des cartes de voyage prépayées, de la technologie mobile, ou en espèces dans les gares ou par automates de vente.
Impact sur le rail : 
> La billeterie ferroviaire a longtemps été manuelle et tarifée socialement. À bord des trains, il y a encore de nos jours des contrôleurs. Ce n'est plus le cas des transports publics urbains ou régionaux sur route. L'usage du billet imprimé chez soi se répand. Les cartes d'abonnement et cartes magnétiques se généralisent tandis que les achats de billets s'effectuent par internet ou par automates de vente, ce qui a un impact sur le personnel des guichets.
>  L'information en temps réel
Constats: 
> En règle générale, la mauvaise information des clients est l’un des principaux problèmes des services de transport public. En exploitant les informations sur l'état de la mobilité urbaine et sur la localisation des citoyens, des navetteurs et des touristes, un opérateur est en mesure de reprogrammer en temps réel les déplacements de ses clients/usagers. Cela permet aussi de gérer la flotte, la planification et la reprogrammation du service en cas de problème (accident, déviation, écourtement d'une liaison).
Impact sur le rail : 
> La diffusion d'informations ferroviaires sur l'état du trafic et la position réelle du train est un défi, en dépit des facilités des points de collectes, comme les circuits de voie. S'il est facile de comptabiliser le retard d'un train, il est plus difficile d'informer sur une alternative voyage quand il y a rupture du trafic normal. Le défi est encore augmenté quand il faut décliner une alternative faisable avec plusieurs opérateurs, parfois concurrents, et en différents modes. 
La maintenance prédictive
L’usage actuel est à la maintenance préventive qui consiste à multiplier les interventions en amont afin de prévenir des incidents qui n’auront peut-être jamais lieu. Ce procédé offre certe un certain de degré de garantie mais demeure coûteux et pas toujours respecté. Collecter des données sur le terrain pour anticiper les pannes, tel est désormais le nouveau principe appelé maintenance prédictive. En donnant aux transporteurs les moyens de prévoir les aléas plutôt que de les subir, elle leur permet de programmer les interventions qui éviteront de coûteuses mises en atelier du matériel roulant.  
 
L'objectif est d’accroitre la quantité de données qui seraient utiles pour des modèles performants de prévisions et d’augmenter les capacités d’analyses à partir des données existantes. Ce nouveau modèle n'est possible que par une multiplication des objets connectés générant des données et par la démocratisation des outils d’analyse de données (le prix des capteurs,...) qui feront du Big Data une révolution dans les domaines de l’analyse des prévisions d'usure des pièces et des pannes. en clair, il s'agit d'établir une sorte de streaming analytics qui va chercher les indices d’un probable incident futur dans les données transmises en temps réel. Pour ensuite lancer des actions pour limiter les risques dès qu'apparaîtra les modèles menant à un incident. Cela évitera par exemple de changer une pièce systématiquement au kilométrage parcouru, mais plutôt à son degré d'utilisation et d'usure. Cela vaut pour les rails, les essieux, le fil caténaire, mais aussi pour les éléments mécaniques comme les aiguillages ou les pantographes.
>  Disponibilité
Constats: 
> Jadis, on ne s'étonnait pas trop d'avoir 15 à 20% du matériel roulant dormant en atelier, parfois pour plusieurs jours. Cette époque est révolue. Le coût du matériel acquis, et même son leasing, de même que la chasse au gaspillages, induisent de fournir une disponbilité maximale du matériel roulant pour le service quotidien.
Impact sur le rail : 
> Le chemin de fer est un outil généralement subsidié par la puissance publique, laquelle exige de faire plus avec moins. Outre une refonte des méthodes de travail, faisant appel à différents outils, le nombre d'atelier a dû être revu dans certains réseaux, et les processus rationnalisés. Ce sont parfois les constructeurs eux-mêmes qui s'occupent de la maintenance sous contrat de durée de vie du train.
>  La fin des grands stocks de pièces de rechange
Constats: 
> Les grands stocks de pièces de rechange coûtent et encombrent les ateliers. Certaines pièces étaient entreposées pour plusieurs années, au cas où... La détection des usures et le remplacement des pièces défectueuses ne se faisait qu'en atelier lors des contrôles périodiques. Dorénavant, grâce aux dizaines de capteurs dont les prix fondent d'année en année, un atelier peut avoir une vue sur l'état d'un train durant son service, et pas seulement quand il arrive pour le contrôle périodique.
Impact sur le rail : 
> La maintenance prédictive fait son chemin dans le domaine ferroviaire. L'utilisation des données collectées sur les équipements en cours d'exploitation permet d'identifier les problèmes de maintenance en temps réel. Cela signifie que les réparations peuvent être correctement planifiées et les temps de contrôle diminués. De plus, les imprimantes 3D permettent dorénavant d'obtenir très rapidement unepièce souhaitée, sans délais d'attente, ce qui augmente la disponibilité des trains.
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