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Un convoi de véhicules autonomes écologiques sur les voies ferrées
Les wagons à batterie transportent le fret de manière plus propre, plus rapide et plus sûre
Les émissions croissantes du secteur des transports ont déclenché une course à la décarbonisation du transport de marchandises grâce à des solutions d’ingénierie innovantes. Alors que les entreprises recherchent des moyens d’appliquer des technologies de pointe telles que les véhicules autonomes et les systèmes optimisés, Parallel Systems, une entreprise qui crée des véhicules ferroviaires électriques autonomes à batterie, estime que l'adaptation de ces avancées au rail révolutionnera la logistique et décarbonisera les transports en même temps.
« Nous voulons déplacer les choses d'une manière plus propre, plus rapide, plus sûre et plus rentable que la manière dont elles se déplacent actuellement », explique Jon Goh, ingénieur en chef en logiciels pour véhicules chez Parallel Systems.
Fondée par d'anciens ingénieurs de SpaceX, Parallel Systems vise à atteindre cet objectif en combinant la technologie des véhicules ferroviaires autonomes alimentés par batterie avec un nouveau concept de terminal moins coûteux et un modèle d'exploitation flexible. Bien que le système de Parallel soit également compatible avec les terminaux existants, le nouveau design de l'infrastructure permet de construire des terminaux plus petits et moins coûteux plus proches des expéditeurs et des clients, ouvrant ainsi de nouveaux marchés.
Plutôt que d’adhérer au modèle conventionnel des longs trains de marchandises, l’approche modulaire de Parallel Systems utilise un système de convoi avec moins de véhicules ferroviaires. Cette approche permet des mouvements plus aérodynamiques et agiles.
Les véhicules individuels ne sont pas physiquement accouplés comme les wagons standard. Au lieu de cela, ils opèrent à proximité immédiate, en entrant en contact avec les tampons situés à l'extrémité des wagons pour créer un convoi. Une fois formée, chaque unité maintient une force de poussée définie contre le véhicule qui le précède. Avec un espace minimal entre les véhicules, la traînée aérodynamique diminue et l’efficacité énergétique augmente.
L'approche modulaire de Parallel utilise un système de convoi dans lequel les wagons se couplent et se découplent de manière transparente et automatique. (Crédit : Parallel Systems)
Les wagons individuels se séparent de manière autonome du convoi principal, permettant la distribution du fret vers plusieurs destinations à partir d'un seul point pour distribuer les livraisons. Répondre au défi de longue date que représente la logistique du dernier kilomètre, donne au secteur ferroviaire les outils nécessaires pour convertir une partie du secteur du transport routier américain surchargé, d'une valeur de 940 milliards de dollars, vers le transport ferroviaire. Le faire avec des véhicules à zéro émission est également un gain pour l’environnement.
Parallel Systems espère renforcer le transport ferroviaire de marchandises en établissant un réseau de petits terminaux intermodaux localisés, car les grandes gares de triage sont peu nombreuses et éloignées les unes des autres. Cela signifie que les marchandises qui arrivent dans une gare de triage doivent parcourir de longues distances par camion jusqu'à leur destination finale. L’établissement de nombreux terminaux plus petits, plus proches des entrepôts et des magasins, permet des services ferroviaires de courte distance plus viables économiquement, réduisant ainsi les temps de transit pour les livraisons cruciales du dernier kilomètre.
« Nous espérons permettre aux chemins de fer d’élargir leur gamme d’itinéraires et de services et de transporter des choses qui ne pourraient normalement pas être transportées par chemin de fer », explique Goh.
Modélisation des wagons
Prouver que les systèmes ferroviaires autonomes fonctionnent en toute sécurité et comme prévu est l’une des priorités techniques les plus importantes de Parallel Systems. Des tests rigoureux et une validation approfondie avec Simulink® sont des éléments cruciaux, selon Goh.
« Nos tests ont confirmé le comportement des engrenages simulés par Simscape Driveline. »
Parallel Systems s'appuie sur Simulink pour évaluer les stratégies des systèmes de contrôle sur l'ensemble de ses sous-systèmes, tels que les transmissions et les freins. Il utilise Simulink Control Design™ pour développer et simuler des algorithmes de contrôle qui doivent fonctionner de manière fiable dans diverses conditions de fonctionnement et selon différentes variables, notamment la température et la viscosité des fluides. Des simulations haute-fidélité dans une gamme de conditions environnementales et de scénarios opérationnels permettent à l'équipe Parallel Systems de valider de manière robuste les algorithmes de contrôle qui ont été initialement conçus à l'aide de modèles d'ordre réduit.
Simscape Driveline™ permet à Parallel Systems de capturer avec précision des phénomènes tels que le jeu des engrenages qui seraient difficiles à coder à partir de zéro. Les ingénieurs de l'entreprise valident les designs des sous-systèmes par rapport à des critères de performance avant la mise en œuvre physique. La capacité de simulation de la dynamique unique impliquée dans les systèmes ferroviaires est inestimable pour obtenir une ingénierie correcte dès le départ.
« Notre travail ne consiste pas à écrire un nouveau logiciel de simulation de jeu », explique Goh. « Ce n’est pas ainsi que nous créons de la valeur pour nos clients. Notre métier consiste à concevoir et à construire des véhicules, puis à écrire des logiciels pour les contrôler. Nos tests ont confirmé le comportement des engrenages simulés par Simscape Driveline. »
Modélisation de batteries et tests de composants
En plus des simulations de sous-systèmes haute-fidélité dans Simulink, les ingénieurs de Parallel utilisent MATLAB® pour modéliser le comportement de la batterie et faire des projection sur l'autonomie globale du véhicule pour différentes opérations. Ils ont développé des simulations de véhicules complets dans MATLAB pour analyser la manière dont les niveaux de charge de la batterie fluctuent en fonction de variables telles que la topographie de l'itinéraire, les conditions de vent et d'autres facteurs environnementaux. MATLAB leur permet d'exécuter des scénarios évaluant les performances attendues de la batterie et les impacts sur l'autonomie.
« Nous apprécions la polyvalence et la flexibilité que MATLAB offre à notre processus de développement unique. »
Lors du design du système de convoi, Parallel Systems achète des prototypes de composants d'amortisseurs de pare-chocs auprès des fabricants. Les entreprises de test reçoivent ces composants et génèrent des fichiers de données contenant les profils de force mesurés des amortisseurs à différentes vitesses et déplacements.
La capacité de MATLAB et de Signal Processing Toolbox™ à analyser divers formats de fichiers de données permet aux ingénieurs de Parallel Systems d'importer et d'analyser ces données de test. Ils exploitent les capacités d'analyse des données pour créer des modèles de lookup tables cartographiant les forces d'amortissement en fonction des paramètres de distance et de vitesse.
Parallel Systems intègre ensuite ces modèles d'amortisseurs dans les simulations Simulink. Cela permet à Parallel Systems d'évaluer les performances globales du système de véhicule en convoi dans différents scénarios et stratégies de contrôle à l'aide de modèles haute-fidélité dérivés des données matérielles physiques réelles. Ce workflow en boucle fermée avec MATLAB et Simulink est essentiel pour affiner la conception du système de convoi avant le déploiement.
Le système de pare-chocs qui relie chaque véhicule ferroviaire autonome permet un convoi serré. (Crédit : Parallel Systems)
« Nous apprécions la polyvalence et la flexibilité que MATLAB offre à notre processus de développement unique », déclare Goh.
Accélérer les itérations de design grâce à la simulation
Avant de créer un produit minimum viable (MVP), Parallel Systems a utilisé MATLAB pour modéliser et simuler rapidement différentes configurations de véhicules en ajustant les variables pour explorer l'espace de design et les caractéristiques de performances prévues. Ce travail de simulation en amont était essentiel pour déterminer le design MVP à privilégier.
« Avant de dépenser de l’argent, de couper de l’acier ou d’acheter un produit, vous devez mettre tout cela dans un modèle et voir comment il pourrait fonctionner »
Avec ses premiers prototypes, Parallel Systems a rencontré des problèmes tels que du jeu dans le système d'essieu entraîné par chaîne qui affectait les performances de contrôle. Le design ultérieure a été évalué à l’aide de Simscape Driveline, ce qui a contribué à accroître la confiance dans le design. L’utilisation de MATLAB pour les capacités de modélisation et d’analyse des données s’est avérée inestimable pour caractériser et quantifier l’effet de contrecoup. L'équipe de design a utilisé MATLAB pour améliorer et valider les algorithmes de contrôle dans leur modèle Simulink. L’équipe a ensuite traduit ces modifications d’algorithme en code utilisé dans le prototype physique. Cela a permis à Parallel Systems de travailler à l’amélioration des algorithmes de contrôle sur le prototype existant grâce à des mises à jour logicielles.
En parallèle, l’entreprise utilise des simulations pour déterminer les tolérances de jeu maximales autorisées et examiner les redesigns potentiels pour éliminer le problème dans les itérations futures. Ce cycle itératif de construction de modèles et de prototypes, d’analyse de données, de mise à jour de designs et de stratégies de contrôle par le biais de simulations et de répétitions a permis un apprentissage et une optimisation rapides.
Les wagons individuels se séparent de manière autonome du convoi principal, permettant la distribution du fret vers plusieurs destinations à partir d'un seul point pour distribuer les livraisons. (Crédit : Parallel Systems)
« Avant de couper de l’acier ou d’acheter un produit, vous voulez mettre tout cela dans un modèle et voir comment il pourrait fonctionner », explique Goh.
Modélisation de la viabilité opérationnelle
Les capacités de simulation vont au-delà de l’évaluation des designs de véhicules et des caractéristiques de performance. Les ingénieurs de Parallel Systems utilisent MATLAB et Simulink pour simuler des scénarios commerciaux potentiels et des implications financières. En modélisant des variables telles que la masse du véhicule, les coûts, les itinéraires, les vitesses et les revenus, ils peuvent estimer les dépenses d’exploitation et les projections de rentabilité et analyser la viabilité globale de leur concept dans différentes configurations. Cette capacité à exécuter rapidement des simulations permettant l’évaluation de nombreux points de designs et scénarios de fonctionnement différents, est essentielle.
« Les simulations Simulink nous permettent de vérifier si nos projets de transport ferroviaire de marchandises sont économiquement réalisables avant de procéder à des investissements importants. Les simulations démontrent qu’avec les bons paramètres de véhicule, nous pouvons réaliser des opérations rentables à grande échelle tout en ayant un impact majeur sur le transport de marchandises. »
« Les simulations Simulink nous permettent de vérifier si nos projets de transport ferroviaire de marchandises sont économiquement réalisables avant de procéder à des investissements importants », explique Goh. « Les simulations démontrent qu’avec les bons paramètres de véhicule, nous pouvons réaliser des opérations rentables à grande échelle tout en ayant un impact majeur sur le transport de marchandises. »
La validation de la partie autonome est également essentielle à la vision de l’entreprise. Les ingénieurs de Parallel Systems développent des cartes haute-fidélité des voies ferrées avec des données GPS pour la localisation initiale et approximative de leurs trains autonomes. Ils utilisent MATLAB pour exécuter des simulations sur des ensembles de données de test enregistrées intégrant le GPS. Cela leur permet d’itérer rapidement sur les designs d’algorithmes en évaluant les performances sur des données réelles.
Ils prévoient également d’intégrer des techniques de localisation basées sur la vision, en exploitant le réseau ferroviaire fixe. Les trains sur un réseau fixe simplifient le problème de localisation par rapport aux voitures autonomes sur les routes ouvertes. L’un des principaux avantages est que l’état de sécurité d’un train est bien défini : il suffit d’arrêter le train. Même avec un problème plus simple à résoudre que celui des voitures autonomes, Parallel Systems valide rigoureusement ses systèmes autonomes avant d'étendre leur déploiement, en s'appuyant sur des systèmes de freinage avancés pour garantir la sécurité.
Projets futurs
Tout en progressant avec son nouveau concept de transport ferroviaire de marchandises, Parallel Systems étudie la possibilité de fabriquer davantage de composants de wagons plutôt que d'intégrer des pièces standard. Cela comprend le développement de designs de moteurs électriques personnalisés optimisées pour les applications ferroviaires autonomes. Avec cette approche, MATLAB et Simulink sont essentiels pour les nouveaux besoins de modélisation et de validation.
Parallel Systems prévoit également d'adopter l’approche Model-Based Design pour un design supplémentaire, qui s'étendra au développement de systèmes critiques pour la sécurité des véhicules de nouvelle génération.
Les capacités de Simulink pour la modélisation de systèmes multidomaines permettent des tests virtuels complets des designs de moteurs ainsi que d'autres éléments étroitement couplés tels que les transmissions et les systèmes de contrôle. Des toolboxes telles que Simscape™ aident à analyser la physique et la dynamique détaillées impliquées.
Parallel Systems prévoit également d'adopter l’approche Model-Based Design pour un design supplémentaire, qui s'étendra au développement de systèmes critiques pour la sécurité des véhicules de nouvelle génération. En reliant les exigences et les tests à la modélisation du système, Parallel Systems vise à valider la robustesse et la fiabilité de manière plus rigoureuse dès les premières étapes du design grâce à un workflow intégré basé sur la simulation.
« Une grande partie de ce que nous avons fait consiste à apprendre à construire un train », explique Goh. « La prochaine étape pour l’entreprise consiste à créer un produit capable d’assurer un service régulier, de répondre aux exigences des clients et de pouvoir être vérifié d’un point de vue réglementaire et de sécurité. »
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