Contrôle Ponctuel de Vitesse Autonome : système KPVA (brevet RATP)

Capteur de vitesse et arrêt d’urgence

Le KPVA est un système de contrôle de vitesse par balise. Il utilise un radar DOPPLER qui lui permet de mesurer la vitesse d’un train et de commander l’arrêt de celui-ci, si ce dernier est en cas de survitesse. Il est à noter que plus de 300 balises de ce type sont à l’œuvre dans le métro parisien.

Fiche technique

train-kfs-atsLe système KFS est compatible avec les balises KPVA. Lorsque cette balise détecte une sur-vitesse, elle communique un signal au capteur KFS installé dans le train. Le contrôleur KFS déclenche alors un freinage d’urgence.

  • Client : RATP
  • Équipement : 300 dans tout le métro parisien

KPVA, un brevet RATP

La RATP a équipé toutes ses lignes de métro d’un système de (K)contrôle Ponctuel de Vitesse Autonome, à la suite du déraillement en 2000 d’une rame de métro à la station Notre de Dame de Lorette. Il y a actuellement 300 balises KPVA en service sur le métro Parisien dans certaines zones identifiées comme critiques. Le contrôleur de vitesse par balise KPVA est intégré dans une balise installée sur la voie. Elle mesure à elle seule la vitesse du train et commande l’arrêt d’urgence en cas de besoin par l’intermédiaire du système RPS embarqué. Les avantages du KPVA sont sa rapidité de mise en œuvre, son faible coût et sa fiabilité importante. La balise KPVA est sous brevet RATP.

Le KPVA intègre deux radars

Le KPVA intègre deux radars

Radar de mesure de vitesse

KPVA

KPVA

Si un radar vise une cible en mouvement, la fréquence de l’onde réfléchie est décalée par rapport à celle émise. Cette différence (fréquence Doppler) est fonction de la vitesse de la cible.

Cette fréquence Doppler est aussi dépendante du sens de déplacement de la cible par rapport au faisceau radar. Un radar se compose des éléments suivants :

  • Partie micro-onde, un émetteur et un récepteur.
  • Traitement de signal, pour mesurer la fréquence Doppler et ainsi estimer la vitesse de déplacement de la cible
KPVA - Radar de vitesse

KPVA – Radar de vitesse

Le radar de mesure de vitesse intégré au KPVA installé sur la voie vise l’avant du train. Il détecte et mesure la vitesse de la rame arrivant sur la voie concernée. La mesure est rapide et s’effectue en moins de 10 m de déplacement de la rame. La portée du radar est réglable de 0m à environ 25m. Le radar ne doit pas détecter les rames voisines, venant dans un sens ou dans l’autre. Le radar respecte toutes les contraintes d’un matériel posé sur des voies, et en particulier respecte le plan de fréquences radios de la RATP.

Radar de détection de présence

KPVA - Radar de Présence

KPVA – Radar de Présence

Le radar de présence vise vers le haut et détecte le passage de la rame au dessus du capteur en détectant le mouvement provoqué par le défilement du relief sous le train : les tuyaux ou les essieux sont facilement détectables. Il est réalisé à partir d’un capteur Doppler à 24 GHz. On utilise alors la variation de puissance du signal pour détecter l’objet.

Fonctionnement du KPVA

La balise KPVA est destinée à assurer le contrôle de la vitesse de matériel roulant ferroviaire piloté en conduite manuelle. Elle doit en cas de survitesse émettre un champ magnétique destiné au capteur (KFS ou RPS) embarqué à bord des trains et qui commande l’arrêt d’urgence au système AeAu.

Le KPVA est constitué de deux chaînes de traitement :

  • Une chaîne principale chargée de mesurer la vitesse du train, de la comparer à une vitesse consigne préalablement programmée dans le système et de transmettre des champs et fréquences, en fonction d’une éventuelle sur-vitesse
  • Une chaîne secondaire pallie la défaillance de la chaîne principale. La sur-vitesse n’est plus une vitesse mesurée mais calculée, elle représente le temps de parcours du train au dessus de la balise KPVA, entre l’avant du train et le capteur du système AeAu embarqué.

La chaîne principale :

Un radar hyper-fréquence 24 Ghz à effet Doppler détecte le train et mesure sa vitesse. Après comparaison avec la vitesse de consigne programmée, un électro-aimant est alimenté et une fréquence F1 est générée.

Si le radar de vitesse ne détecte pas de sur-vitesse :

  • L’électro-aimant est activé et émet un champ magnétique.
  • Le cadre de fréquence émet la fréquences F1.
  • Le capteur KFS embarqué reçoit ces signaux qui, s’ils sont émis ensembles indiquent que le passage du train est autorisé.

Si le radar de vitesse détecte une sur-vitesse :

  • L’électro-aimant est activé et émet un champ magnétique.
  • Le cadre de fréquence n’émet pas de fréquence.
  • Le capteur KFS embarqué reçoit ce signal qui s’il est émis seul indique que le passage du train n’est pas autorisé.

Fonctionnement de la chaîne secondaire :

La sur-vitesse n’est plus une vitesse mesurée mais calculée ; elle représente le temps de parcours du train au-dessus de la balise KPVA, entre l’avant du train et le capteur du système AUAE embarqué.
La vitesse de consigne est matérialisée par une temporisation, elle est réglable.
Lorsque l’avant du train est détecté par le radar de présence, l’électro-aimant est activé et maintenu pour le temps représentant la vitesse de consigne.
Si l’électro-aimant est encore actif quand le capteur du système embarqué passe au-dessus de la balise, le train est au-dessus de la vitesse de consigne, donc en sur-vitesse.
Le champ de l’électro-aimant émis par le KPVA est détecté par le capteur embarqué qui arrête le train.
Si l’électro-aimant n’est plus actif quand le capteur du système embarqué passe au-dessus de la balise, le train est en dessous de la vitesse de consigne.
Aucun champ n’est généré par le KPVA, ce qui autorise le passage du train.

Fonctionnement général

A la mise sous tension du KPVA les deux chaînes sont actives.

La chaîne principale est prépondérante lorsque le KPVA fonctionne sans anomalie.

En cas d’anomalie de la chaîne principale la chaîne secondaire devient chaîne principale et le KPVA signale cette anomalie et fonctionne en mode dégradé.

En cas d’anomalie de la chaîne secondaire la chaîne principale est prépondérante mais le KPVA signal cette anomalie et fonctionne en mode principal dégradé.

On peut dialoguer avec le KPVA et le paramétrer via une liaison RS422.

Outre la fonction principale d’arrêt du train en cas de sur-vitesse, le KPVA :

  • Signale et diagnostique les pannes éventuelles,
  • Reconfigure si possible le système en cas de pannes multiples,
  • Inhibe le système en cas de pannes critiques (arrêt des trains qui ne sont pas en sur-vitesse)
  • Signale les sur-vitesses, mémorise les dernières sur-vitesses et les passages.
  • Indique à distance les vitesses de passages des trains (à l’exploitant)

Enfin, le KPVA dispose d’entrées extérieures, permettant de connecter des capteurs ou une liaison de signalisation. Par exemple, le KPVA peut être programmé pour que 2 ou 3 vitesses de consigne puissent être choisies en temps réel en fonction de l’état de la signalisation

Sécurité et Disponibilité du système KPVA

Le système KPVA associé à un capteur KFS monté sur le train assure un maillon important dans la chaîne de sécurité puisqu’il permet de détecter automatiquement une sur-vitesse dangereuse dans certaines zones. Le KPVA en tant que tel n’est pas conçu comme un système de sécurité intrinsèque. Ses pannes peuvent le rendre inopérant, et donc transparent pour les trains. La sécurité est donc directement liée sa disponibilité et celle des équipements embarqués. Le KPVA a été conçu pour être très disponible : il dispose comme on l’a vu ci dessus, de deux chaînes de traitement, d’une fonction d’auto surveillance et d’une fonction d’auto reconfiguration, le tout associé à un système de télé-maintenance détectant et signalant immédiatement chaque panne au mainteneur.

Supervision des KPVA – Logiciel d’aide à la maintenance des KPVA

Es KPVA existantes et installées sur le réseau RATP, soit plus de trois cents équipements.

Toutes les cinq secondes, il teste le fonctionnement de la balise avec laquelle il communique. Si la balise ne répond plus, l’information est remontée aux équipes de maintenance via le serveur

Son déploiement permet de réduire le coût de la maintenance préventive. Chaque balise devait être contrôlée tous les 3 mois. Cela impliquait le déplacement d’une équipe de 2 personnes sur le terrain. Désormais, le contrôle préventif est effectué de manière automatique et pn raison du grand nombre de KPVA installés (supérieur à 300) et des problématiques d’accès sur le terrain (ligne automatique, intervention sur les voies en journée, …), un logiciel d’aide à la maintenance de ces équipements en protocole IP a été développé : le logiciel LAM IP KPVA.

Le logiciel LAM IP KPVA permet :

  • la connexion à distance aux balises ;
  • la centralisation des données sur un serveur ;
  • le contrôle automatique de l’état des balises ;
  • la programmation des balises à distances ;
  • le redémarrage des balises à distances ;
  • l’historisation des interventions de maintenance (préventives et correctives) ;
  • la visualisation des données en temps réel (par exemple, la vitesse des trains passant sur le capteur).

Les balises KPVA s’inscrivant dans une chaine de sécurité, la maintenance préventive nécessaire est ainsi effectuée à distance, ce qui limite les coûts liés aux déplacements et à la mobilisation d’agents sur le terrain. La gestion du parc de KPVA est également facilitée par la centralisation des informations sur un serveur dédié.

Le logiciel gère les six versions de balises KPVA existantes et installées sur le réseau RATP, soit plus de trois cents équipements.

Toutes les cinq secondes, il teste le fonctionnement de la balise avec laquelle il communique. Si la balise ne répond plus, l’information est remontée aux équipes de maintenance via le serveur

Son déploiement permet de réduire le coût de la maintenance préventive. Chaque balise devait être contrôlée tous les 3 mois. Cela impliquait le déplacement d’une équipe de 2 personnes sur le terrain. Désormais, le contrôle préventif est effectué de manière automatique et prévient dès qu’une action corrective est nécessaire.

Programmation et maintenance du KPVA

La balise dispose d’une liaison USB/RS422 qui lui permet d’être connecté à un PC. Des outils logiciels permettent de vérifier le bon fonctionnement de la balise et de la configurer la vitesse de consigne pour chaque site équipé.

Une vue d’ensemble permet de visualiser tous les équipements installés et leur configuration.

Associé à un équipement de test, un logiciel de test sur PC permet de configurer la balise afin de tester ses différents modes de fonctionnement.

Enfin, un logiciel permet de lire les historiques de données et d’états enregistrés par la balise.

Clearsy propose d’installer un détecteur de pièce trainante en sortie d’atelier afin d’éviter qu’une pièce trainante endommage ou arrache les balises KFS et KPVA installées sur les voies.

Présentation vidéo du KPVA