tons pairs et les cantons impairs sont

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Le lien avec le monde industriel
La première difficulté dans la mise au point de TP
sur des systèmes réels est de trouver des partenaires
industriels prêts à financer le projet. Si l’intérêt de
permettre des mesures, en temps réel, sur de vrais
systèmes industriels en fonctionnement est évident
pour la plupart d’entre nous, en complément du travail
habituel dans les laboratoires, il l’est beaucoup moins
pour une entreprise qui se pose immédiatement la
Les labos
en temps réel
MICHEL OURY [1]
mots-clés
internet,
système
[] Professeur agrégé de génie électrique au lycée Jean-Perrin
de Saint-Ouen-l’Aumône. Courriel : [e-mail]
Que ce soit pour la technologie au collège ou pour les S2I dans les
lycées en pré ou en postbac, les manipulations au laboratoire se
font dans 95 % des cas sur des maquettes, sur de petits systèmes,
ou sur des constituants de systèmes mettant en jeu peu de
puissance. En effet, un vrai système de plusieurs centaines de
kilowatts, qui permettrait de mesurer des grandeurs sur des
solutions constructives réelles, ne peut pas entrer dans les labos :
trop gros, trop cher, trop dangereux…
L’idée de TPLine est donc d’instrumenter de vrais systèmes
industriels et de poser les problématiques qui les accompagnent.
Sur un même problème et un même système, il est possible
de développer des pédagogies cohérentes, différenciées et
concourantes, du collège aux universités en passant par les
classes préparatoires.
question de la rentabilité à plus ou moins court terme
du projet.
Il faut donc se tourner vers des entreprises pour
lesquelles l’investissement en hommes, en matériel et
en participation financière pourra intégrer un projet
de communication à long terme.
Une fois ce point réglé, il reste encore à trouver un
système avec une problématique en adéquation avec les
programmes soit du collège soit des lycées ou lycées
professionnels, en prébac ou en postbac (sections de
TS ou prépas scientifiques).
Enfin, dernier point, qui n’est pas le moindre, persua-
der les divers intervenants (les entreprises partenaires
et les divers sous-traitants) de mettre à disposition (de
tous dans le cas de l’internet) des plans, des schémas,
bref souvent tout leur savoir-faire. Il n’est en effet pas
possible de mettre en ligne des TP sur des systèmes
pour lesquels les professeurs et les élèves n’auraient
pas l’accès complet à la documentation technique,
qui permet de justifier les modèles employés autour
des mesures et, par suite, les solutions constructives
retenues justement par ces entreprises – qui diffèrent
généralement de celles de nos labos pour des raisons
d’ordre de grandeur des valeurs mises en jeu.
Les premiers TP que vous allez trouver sur TPLine
ont donc été élaborés grâce à des partenariats avec
la SNCF et Schneider Electric (outre l’aide financière
de la direction de la Technologie), et des études sont
en cours avec Siemens et La Poste.
Les systèmes actuellement en ligne
Dans sa nouvelle formule, TPLine propose des TP sur
deux systèmes avec des problématiques totalement
différentes :
● Étude de l’influence du mistral sur la conduite du
TGV Paris-Méditerranée
● Bilan énergétique d’un bras de manipulation pick &
place sur une chaîne de montage
Pour la première problématique, deux scénarios de
TP ont été mis au point, l’un à destination des classes
de 6
e
des collèges dont le thème de travail est « Les
transports », et l’autre pour les élèves des classe pré-
paratoires scientifiques  .
La seconde a permis de développer deux TP, l’un
pour les classes de baccalauréat des lycées, l’autre
pour les classes préparatoires scientifiques.
 La préparation du questionnement sur TPLine pour les prépas

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Triangle des Angles . Elle utilise les mêmes matériels
que ceux des équipes de recherche de la SNCF, et est
placée à moins de 20 m de la station anémométrique
des Angles, au point kilométrique PK620.7  .
C’est à cette transmission voie-machine (TVM) que
nous nous intéresserons. Jusqu’à une vitesse de cir-
culation de 220 km/h, la signalisation latérale aux
voies (notamment les feux verts, clignotants jaunes,
et rouges) peut être lue par le mécanicien du train.
Au-delà de cette vitesse, la lecture est beaucoup plus
difficile, ce qui présente un risque. C’est pourquoi les
Dans chaque cas, il y a une étroite imbrication des
domaines de la mécanique, de l’électronique, de l’élec-
trotechnique et de l’automatique, donc des S2I prises
dans leur globalité.
Ce sont des TP « collaboratifs », « ouverts », décrétés
open source par leurs auteurs afin que tout un chacun
puisse se les approprier et en tirer de nouvelles pistes de
travail. Chaque professeur peut intervenir sur un forum
et demander des ajouts, des modifications, des correc-
tions, voire une adaptation à un autre programme.
L’exemple que nous allons suivre montre comment,
autour du premier support, pour lesquels ne sont déve-
loppés au départ que deux TP, l’un d’analyse fonc-
tionnelle pour les classes préparatoires scientifiques
(1re année), l’autre pour les sixièmes de collège (voir
sur le site www.tpline.fr ), on peut mettre au point un
nouveau TP orienté électronique, pour les prépas TSI au
départ, mais qui pourra être adapté sans difficulté aux
nouveaux programmes du bac « information et réseaux ».
La TVM 
Le problème posé à la SNCF pour la circulation des
rames de TGV dans la vallée du Rhône concerne la prise
au vent et la possibilité d’un soulèvement par fort mis-
tral. Le cas du Japon, où plusieurs déraillements se
sont produits, a amené les équipes de recherche de la
SNCF a conduire une étude sur les protections contre
le vent, en fonction de sa direction et de sa vitesse.
Une présentation complète de cette démarche a déjà
été publiée par les auteurs des TP d’analyse fonction-
nelle dans les numéros 129 et 130 de la revue Techno-
logies & Formations éditée par les éditions Delagrave.
Outre des protections physiques (remblais, écrans de
protection…), une détection des vents latéraux (DVL)
a été mise en place.
Douze stations anémométriques sont donc implantées
tout au long de la voie du TGV entre Lyon et Marseille.
Elles mesurent en permanence la vitesse et la direction
du vent à raison d’une mesure toutes les 5 secondes
(voir « Le capteur de mesure » en encadré). Ces mesures
sont stockées en mémoire et moyennées toutes les
10 minutes. Une prévision des nouvelles valeurs du vent
est faite sur les 5 minutes suivantes. En fonction de
cette prévision, un ordre de ralentissement du TGV sur
le tronçon suivant peut être envoyé par la station DVL
à la cabine du conducteur, via un poste intermédiaire
de traitement (SEI) puis par les rails.
Une station anémométrique en tout point identique à
celles de la SNCF a été implantée par TPLine dans le
 La localisation de la station
anémométrique du Triangle des Angles
 La station TPLine en bordure de la voie
Le capteur de mesure
L
a station utilise un ensemble girouette-anémomètre Young
5103 dont les principales caractéristiques sont les suivantes :
● La rotation de l’hélice à quatre palettes hélicoïdales fournit un
signal sinusoïdal ayant une fréquence proportionnelle à la vitesse
du vent. Ce signal alternatif est induit dans une bobine xe par
six aimants montés sur l’axe de l’hélice. La bobine est installée
sur la partie centrale non tournante du support principal, ce qui
élimine les contacts tournants et les brosses. Chaque révolution
de l’hélice fournit trois cycles du signal sinusoïdal.
● La position de la girouette est
transmise par un potentiomètre de
précision de 10 kW en plastique
conducteur. Il nécessite une tension
d’excitation régulée.
● Le signal de sortie est la réponse
à une tension d’alimentation régu-
lée commutée. Il est directement
proportionnel à l’angle azimut.
Tous les documents techniques
concernant ce capteur sont mis à
disposition des élèves en ligne.

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 T E C H N O L O G I E    N o v e m b r e - D é c e m b r e 2 0 0 7 N o v e m b r e - D é c e m b r e 2 0 0 7 T E C H N O L O G I E    
 Le découpage des voies en cantons
 La séparation électrique des cantons
 La chaîne d’information de la TVM 430 au niveau sol
informations sont envoyées du sol vers la cabine via
les rails, automatiquement, pour être affichées en
clair dans la cabine.
Les voies sont électriquement découpées en cantons,
de 2,1 km pour la ligne LN5 Paris-Marseille (mais
ces cantons ne font que 1 500 m pour le TGV Nord).
On distingue la voie descendante Paris-Marseille (ou
voie 1, impaire) de la voie montante Marseille-Paris
(voie 2, paire). Plusieurs cantons sont regroupés et
contrôlés par des postes eux-mêmes reliés au poste
d’aiguillage et de régulation de la ligne (PAR).
Les informations sont transmises dans les voies
de chaque canton par des circuits de voie (UM71),
regroupant au moins un émetteur, un récepteur et
des joints électriques de séparation des cantons.
L’information est émise dans les rails sous forme de
courants porteurs modulés en amplitude. Les fréquences
porteuses alternent dans chaque canton : 1 700 Hz et
2 000 Hz pour la voie 1 ; 2 300 Hz et 2 600 Hz pour
la voie 2  .
Les joints électriques de séparation entre les can-
tons pairs et les cantons impairs sont des circuits
bouchons RLC  . Chaque joint est constitué de deux
blocs d’accord différents, placés à environ 20 m l’un
de l’autre et séparés en leur milieu par une induc-
tance à air L3.
En l’absence de motrice dans un canton, le cou-
rant émis est reçu par le récepteur placé en amont,
alors que, si une motrice est présente entre
l’émetteur et le récepteur, son essieu avant
court-circuite les deux rails. Dans ce cas,
le récepteur informe le circuit d’émission
du canton précédent qu’un train est dans le
canton suivant … La fonction essentielle
des circuits de voie est donc double :
● Détecter la présence d’un train dans un
canton pour en avertir le canton précé-
dent ;
● Transmettre les informations élaborées
par le sol jusqu’au mécanicien conducteur
du train.
Le long de la voie, des condensateurs de
compensation de 22 µF sont installés tous
les 100 mètres afin de maintenir une impé-
dance constante de la voie dans la plage de
fréquences utilisées (de 1 700 à 2 300 Hz)
et éviter ainsi un affaiblissement du signal
dans les rails conducteurs.
Outre les informations de vitesse à adopter dans
chaque canton, envoyées continûment dans la voie, le
signal transmis dans les rails peut être porteur, ponc-
tuellement, d’autres informations extérieures :
● La détection de boîte chaude
Tous les 50 kilomètres, des boîtes installées sur les
voies mesurent la température des boîtes d’essieux de
tous les trains, quel que soit leur sens de circulation.
Des signaux d’alarme (simple ou danger) sont alors
émis en fonction du dépassement ou non des seuils
considérés comme dangereux.
● La détection d’inondation de plate-forme
Les stations sont équipées de capteurs de mesure du
niveau d’eau.
● La détection de chute de véhicule sur la voie
Un double réseau de fils (avec leurs capteurs) est tendu
sur la trajectoire de chute présumée d’objets risquant
de constituer une entrave à la marche des trains.

 T E C H N O L O G I E    N o v e m b r e - D é c e m b r e 2 0 0 7 N o v e m b r e - D é c e m b r e 2 0 0 7 T E C H N O L O G I E    
 T E C H N O L O G I E    N o v e m b r e - D é c e m b r e 2 0 0 7 N o v e m b r e - D é c e m b r e 2 0 0 7 T E C H N O L O G I E    
Les mots du message
Mot 0 (bits de 24 à 26) : adresse réseau
Ce mot dénit la ligne sur laquelle la TVM 430 est active A .
Adresse réseau b26 b25 b24 Rang
Tunnel 0 0 1 1
Réserve 1 0 1 0 2
Réserve 2 0 1 1 3
Réserve 3 1 0 0 4
LN5 1 0 1 5
Réserve 4 1 1 0 6
LN3 1 1 1 7
Bruxelles+Nice 1 1 1 7
A Les adresses réseau
Mot 1 (bits de 16 à 23) : taux de vitesse
Ce mot dénit une des 256 combinaisons possibles d’un triplet constitué de
Vc, Va, Ve avec B :
● Vc : vitesse de consigne de n du canton (achée en cabine)
● Va : indication de la vitesse de consigne du canton suivant (clignotement de
l’achage en cabine si cette vitesse est plus restrictive)
● Ve : vitesse plafond autorisée en entrée du canton
Triplet TVM Sol Information Afficheur Contrôle
de vitesse Décélé-
ration
(m/s2)
Obs.
Vc Ve Va Rang Nature Couleur
chiffre/fond Vaff Vci km/h
Vcf
km/h
Rouge 0 1 R rouge 35 35 0
0 60 2 N/R 000 70 0 0,7 (1)
0 80 3 N/R 000 90 0 0,7 (1)
Res. Res. Res. 4 N/R 000 90 0 0,7 (1)
0 130 5 N/R 000 140 0 0,85 (1)
0 160 6 N/R 000 180 76 0,85
0 170
60E 60 0 7 Ex B/N *060 70 70 0
60E 60 8 Ex B/N 060 70 70 0
60 80 0 9 An N/B *060 90 70 0,85
Res. Res. Res. 10 An N/B *060 90 70 0,85
60 130 0 11 An N/B *060 140 70 0,85
60 160 0 12 An N/B *060 180 76 0,85
60 170 0
60 80 13 An N/B 060 90 70 0,85
Vc : vitesse de consigne de n du canton
Va : vitesse de consigne du canton suivant
Ve vitesse plafond autorisée
Va : valeur achée (l’astérisque indique
que le taux clignote)
Vci : vitesse de contrôle initiale
Vcf : vitesse de contrôle nale
(1) : libération du contrôle de vitesse à 35 km/h
N : noir
B : blanc
R : rouge
Res. : réservé
V : vert
An : taux d’annonce
Ex : taux d’exécution
VL : taux de vitesse limite de ligne
B Les taux de vitesse
Mot 2 (bits de 10 à 15) : distance but
Ce mot dénit une distance but par pas de 25 m, 50 m, 100 m, 200 m ou 400 m.
Mot 3 (bits de 6 à 9) : taux de déclivité
Ce mot décrit une déclivité (de tant pour mille) avec un signe négatif pour une
rampe et un signet positif pour une descente, avec un pas de 2 à 10 ‰.
Mot 4 (bits de 0 à 5) : CRC
Bits de codage de redondance cyclique permettant la détection des erreurs
de transmission.
Le codage des informations
Les informations de vitesse à respecter dans chaque
canton sont transmises continûment dans les rails par
les courants porteurs. Ces courants sont modulés en
fréquence par des signaux sinusoïdaux très basse fré-
quence. Les fréquences de modulation varient de 0,88 Hz
à 17,52 Hz par pas de 0,64 Hz. La répartition de ces
27 fréquences de modulation est donc la suivante :
Fn = 0,88 + (n – 1) × 0,64 Hz
Une sinusoïde supplémentaire à 25,68 Hz est émise
en permanence pour le circuit de voie.
L’électronique embarquée va filtrer l’information
transmise sous cette forme dans la voie afin de la
reconstituer sous une forme numérique qui pourra être
traitée par l’informatique de bord. Le format du mes-
sage numérique est un mot de 27 bits, formés de 6 bits
de contrôle de redondance cyclique (CRC) et 21 bits
d’information utile, selon le schéma  .
À la fréquence de modulation d’indice n correspond
le bit du message de poids n – 1.
Le message peut être décomposé en cinq mots
dont les significations sont données dans l’encadré
ci-contre. Si l’on se limite à l’information de vitesse
due à la mesure du vent, seuls les 8 bits du mot 1 (taux
de vitesse) nous intéressent.
Suivant les valeurs mesurées par la station (direction
et vitesse du vent), un point peut être placé dans les
abaques de limitation déterminés par la SNCF et numé-
risés dans les automates   . En fonction de la posi-
tion de ce point par rapport aux abaques de limitation
de vitesse utilisés en exploitation  , l’information de
vitesse demandée pour le canton suivant peut alors être
codée sous forme analogique (modulation d’amplitude
 Le format numérique du message reçu dans la motrice
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
230
210
190
170
150
130
110
90
70
50
Angle d’incidence (°)
Vitesse de vent (km/h)
vt = 300 km/h vt = 170 km/h vt = 80 km/h
 Les abaques élaborés par la recherche de la SNCF

 T E C H N O L O G I E    N o v e m b r e - D é c e m b r e 2 0 0 7
de la porteuse) et envoyée dans les rails. Captée par
les bobines placées en avant du premier essieu de la
motrice, cette information sera de nouveau numérisée
pour être enfin affichée en cabine.
Les objectifs du TP
À partir d’une information « vent » mesurée à un instant t,
en vitesse et en direction, l’élève doit :
● Placer le point correspondant dans les abaques d’ex-
ploitation et en déduire la consigne de vitesse à envoyer
dans les rails vers le prochain TGV qui entrera dans le
canton (utilisation des tableaux A et B de l’encadré
« les mots du message »).
● Déterminer les fréquences des sinusoïdes de modu-
lation correspondantes.
● Donner le codage binaire des mots 0 et 1, sachant que
le point de mesure est le point kilométrique PK620.7
de la ligne Paris-Méditerranée (LN5).
● Proposer un filtre actif permettant de supprimer la
porteuse.
Les points concernés du programme de la filière TSI,
outre l’analyse fonctionnelle déjà mise au point en ligne
(TP1) sur TPLine à destination des diverses filières de
classes préparatoires, sont donnés en encadré.
Les informations de vent sont mesurées toutes les
5 secondes et moyennées toutes les 10 minutes. Les
moyennes, stockées dans la mémoire de la station
(Campbell Scientific), sont lues par GSM toutes les
heures et envoyées vers le serveur de TPLine ou elles
sont stockées en mémoire. Un élève n’a accès qu’aux six
dernières mesures (soit le dernier relevé horaire) ainsi
qu’aux relevés de vents forts stockés en doublons.
Les relevés horaires sont également mis à la disposi-
tion des établissements partenaires afin de permettre
le développement de nouveaux TP adaptés à d’autres
programmes.
Chaque fois qu’un élève démarre son TP, il peut
choisir une configuration de mesure parmi la dernière
tranche horaire ou parmi un répertoire des vents forts.
Les valeurs de direction et de vitesse du vent sont alors
figées pour toute la durée du TP.
Si un élève quitte le TP avant la fin, sa configuration
reste en mémoire sur le serveur. Il pourra donc le ter-
miner à partir de tout ordinateur connecté à l’internet,
donc dans la salle du CDI ou chez lui.
Au fur et à mesure qu’il répond aux questions, ses
réponses sont également stockées sur le serveur de
TPLine. Suivant la pédagogie mise en œuvre, des
« remords » sont possibles ou non.
Une fois le TP totalement terminé, l’élève valide son
travail. Il reçoit alors son compte rendu par courriel,
qu’il peut imprimer et envoyer à son professeur. Un cor-
rigé type peut également lui être fourni – si l’équipe
pédagogique à l’origine du TP en a décidé ainsi.
Alors, bien sûr, ce n’est pas tout à fait du e-learning.
L’élève peut entrer anonymement dans un TP s’il le
souhaite. Il ne mesure pas vrai-
ment directement au sens de la
manipulation, mais il interprète
des mesures à partir de capteurs
déjà implantés, comme cela ce
fait de plus en plus souvent dans
l’industrie. Il ne s’agit donc pas
là de remplacer les manipula-
tions classiques du laboratoire,
mais bien de les compléter par
des mesures sur de vrais sys-
tèmes. 
Les points concernés
du programme de la lière TSI
S241 Les capteurs
Place du capteur dans la chaîne d’information
Fonctions de base et structure fonctionnelle
de la chaîne d’acquisition de l’information
Typologie des informations d’entrée et de
sortie
Caractéristiques métrologiques : étendue
de mesure, sensibilité, résolution et délité,
temps de réponse
Contraintes de montage et de réglage
Cette première partie permettra d’analyser le
montage et le principe de fonctionnement des
capteurs direction et vitesse de la station de
mesure du PK620.7.
S243 Le traitement
de l’information captée
Filtrage analogique et numérique
Amplication
Mise en forme à seuils
Transposition de signaux en fréquence
Conversions A/N (CAN/CNA)
S245 Le transport de l’information
Caractéristiques principales (bande passante,
atténuation, immunité aux bruits…)
Mise en œuvre
Dans cette partie et la suivante, on exploite l’en-
semble de l’adaptation d’impédance lors de la
transmission dans les rails, ainsi que la vérica-
tion du fonctionnement des circuits bouchons
aux extrémités des cantons.
S321 Le conditionnement du signal
Amplication : gains en tension, en courant, en
puissance, impédances d’entrée et de sortie,
bande passante, linéarité
Filtrage analogique : gabarit des ltres idéaux,
réalisation de ltres passifs type passe-bas
(source parfaite) et de ltres actifs
S322 La transmission de l’information
Modes de transmission : série, parallèle
Modulation et démodulation d’amplitude
analogique
La transmission des informations vers le SEI se
fait également sous forme série RS232.
Bien que l’on ne puisse pas ici à proprement parler
dénir la transmission de l’information comme
une trame ou un paquet d’un réseau, on retrouve
toutefois la mise en forme de l’information sous
forme d’un paquet de 27 bits, ce qui peut servir
d’introduction à cette notion.
 Les abaques utilisés en exploitation
et dessinés sur TPLine
 Les points limites au poste de Marseille Saint-Charles