1997, on dénombre quelques 800 fils sur une Renault Safrane, voire 1000 fils pour des voitures de très haut de gamme. Aujourd’hui, il n’est plus rare de voir un véhicule possédant près de 5000 m de câbles cumulés, représentant un poids supérieur à 80 kilogrammes (kg). En même temps, le nombre de connexions a atteint rapidement un pic impressionnant passant de 200 à plus de 2000 connexions. En outre, la quantité et la complexité des informations échangées via les réseaux locaux entre les différents composants électroniques sont devenues prohibitives. On compte à peu près 2500 informations échangées dans un Volkswagen Phaeton. Certes l’apparition de la technologie “X-by-Wire” est une révolution majeure dans l’industrie automobile, mais des problèmes de coût, de câblage, de connectique, de fiabilité et de contrôle sont apparus.
Puisque l’explosion du nombre de calculateurs et de capteurs distribués dans tout le véhicule ne cesse de s’accentuer, les constructeurs ont eu recours au multiplexage afin de réduire la quantité de câbles dans les véhicules. Cette technologie consiste à échanger plusieurs informations entre les différents composants sur un seul support physique (i.e. un bus) au lieu de transiter chaque information par un fil dédié. Pour cela, on a besoin de définir avec précision : le support de transmission (fils, paire torsadée, câble coaxial, fibre optique, etc.), les types de signaux (signaux de puissance, signaux de commande, signaux haute fréquence, signaux numériques, etc.) et le protocole de communication.
Parmi les protocoles de communication, on peut citer CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network), MOST (Media Oriented Systems Transport) et FlexRay. Le tableau 1.1 compare les principaux protocoles de communication.
On remarquera que le protocole MOST offre un débit élevé par rapport aux autres. Étant donné son coût, il est généralement déployé dans les voitures haut de gamme. Le LIN et le CAN sont deux protocoles série bas coût et souvent utilisés ensemble, le LIN étant utilisé comme sous-réseau en complément du bus CAN. Le FlexRay utilise la redondance des câbles pour assurer la robustesse de la communication. Un véhicule moderne emploie généralement l’ensemble de ces protocoles vu la quantité de l’électronique embarquée pour répondre aux normes de plus en plus
1.1.2 Domaines d’applications des câbles 13
Chapitre
1
LIN CAN FlexRay MOST
Débit 20 kilobits par seconde (kbps)
1 Mégabits par seconde (kbps)
10 Mbps 25 Mbps à 150 Mbps
Couche physique fil simple paire torsadée fibre optique, paire torsadée
fibre optique
Couche MAC maître/esclave TDMA CSMA/CA maître/esclave TDMA peer to peer Application sous-réseau, commandes, capteurs, etc. zone moteur, équipement de l’habitacle, etc. X-by-Wire Multimédia
TABLE1.1:Comparaison de bus de communication dans l’automobile. sévères d’antipollution, de sécurité et de confort du conducteur et de ses passagers.
Outre le multiplexage, l’industrie automobile s’est intéressée à une technologie très promet- teuse pour la réduction du câblage dans l’automobile. Cette technologie s’appelle le Courant Porteur en Ligne (CPL) ou en anglais Power Line Communication (PLC). Elle permet de transmettre sur le même câble à la fois de l’information et de la puissance électrique [7]. Quelle que soit la technologie utilisée, l’effort de l’industrie automobile à réduire le câblage a été récompensé, puisque le constructeur automobile PSA Peugeot-Citroën, par exemple, a réussi à diminuer de 41% le nombre de fils entre le modèle Peugeot 306 et le modèle Peugeot 307.
L’introduction de l’électronique embarquée ne s’est pas limitée au domaine de l’avionique ou de l’automobile comme on vient de le voir, mais a touché d’autres domaines dans les transports tels que le maritime, le ferroviaire, etc. La figure 1.7 résume l’augmentation de la longueur cumulée de câbles dans les transports. On parle aujourd’hui de 1 km de câbles par 1 m de véhicule, de 5 km de câbles par 1 m d’avion et jusqu’à 8 km de câbles par 1 m de navire. Cette augmentation a entraîné la complexité dans les réseaux filaires rendant l’opération de maintenance très complexe [8].
L’explosion de la complexité des réseaux filaires a affecté non seulement le domaine des trans- ports, mais aussi les télécommunications. Ceci permet de répondre aux exigences accrues des abonnés (très haut débit, multi-services, couverture maximale, etc.).
1.1.2.4 Les télécommunications
De grandes longueurs de câbles sont aussi rencontrées dans le domaine des télécom- munications suite à l’explosion du nombre d’abonnés ainsi que des services fournis par les opérateurs de télécommunications (services mobiles, télévision numérique, radiodiffusion, vidéo-communication, transmission des données, etc.).
Pour les liaisons internationales, la plupart des télécommunications (données, voix, vidéo, etc.) transitent par des câbles sous-marins grâce à leur capacité de transmission estimée à un million de fois supérieure à celle du satellite. En 2013, environ 99% du trafic international est ainsi transmis
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FIGURE1.7:Longueurs cumulées de câbles dans le transport.
par les câbles sous-marins. Avec l’essor d’Internet, la longueur des câbles posés dans les océans est passée de 60000 km en 1939 à 800000 km en 2009 [9] et même un million de kilomètres en 2012 [10].
En eaux profondes, les câbles font souvent face à de fortes contraintes mécaniques provoquées par les courants marins. Au cours de leur vie, ils peuvent souffrir de la corrosion, de l’abrasion et de l’usure. Pour cela, la maintenance des câbles sous-marins doit être assez régulière. En moyenne, le navire câblier “René Descartes” intervient au moins une fois par mois pour des missions de 6 à 12 jours. En revanche, les opérations de maintenance sont complexes et coûteuses puisqu’elles nécessitent l’utilisation de lourds équipements. A titre d’exemple, France Télécom Marine, responsable de la pose et la réparation des câbles sous-marins, possède à son service une flotte de navires câbliers, des charrues d’ensouillage, des robots sous-marins qui pèsent environ 9 tonnes, etc. Entre les courants, les avalanches et les tremblements de terre, les câbles peuvent dériver de plusieurs kilomètres de leurs positions lors de la pose, ce qui ne fait que compliquer l’opération de maintenance.
Quels que soit leurs domaines d’applications, les câbles sont victimes des environnements où ils opèrent et font souvent face à des conditions agressives (thermique, mécanique, électrique et environnementale). Le tableau 1.2 résume les facteurs affectant les câbles. Par suite, les câbles peuvent manifester, un jour ou un autre, des signes de faiblesses qui peuvent aller d’une déformation d’un signal à une coupure brutale du câble. Malheureusement, ces signes sont souvent négligés malgré le fait qu’ils peuvent avoir des conséquences tragiques surtout si les câbles font partie d’un système critique où la sécurité est un enjeu, comme décrit dans la section suivante.
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Thermique Électrique Mécanique Environnement
Température maxi- male
Tension (AC, DC, impulsion)
Flexion Gaz (oxygène, air, etc.)
Température mini- male
Fréquence Tension Humidité/Eau
Gradient de tempé- rature
Courant Compression Radiation
Cycle de tempéra- ture
Torsion Produits chimiques corrosifs
Vibration Lubrifiants
TABLE1.2:Facteurs affectant l’isolation de câbles sous-terrains [3].
1.2
Typologie des défauts dans les câbles
Pendant plusieurs années, le câble a été traité comme un système qui pourrait être installé et fonctionner pendant la durée de vie du système où il opère [11]. Cependant, cette habitude a, rapidement, changé avec la manifestation de signes de défaillances dans les câbles. Ces défaillances peuvent entraîner l’apparition d’anomalies plus ou moins graves telles que la perte du signal électrique, la déformation de l’information, la surtension, le dysfonctionnement du système, la fumée, l’incendie, etc. Malheureusement, ces défauts peuvent avoir des conséquences dramatiques si les câbles font partie des systèmes critiques pour la sécurité des personnes, des équipements ou même de l’environnement. A titre d’exemple, on peut citer les crashs des vols TWA 800 (en 1996) et Swissair 111 (1998) ainsi que l’accident d’Apollo XIII (en 1970) [12] pour lesquels les câbles sont mis en cause. La figure 1.8 illustre la répartition des composants contribuant à des accidents dans les avions selon les données collectées par l’Air Force Safety Agency (AFSA). Elle montre que les câbles sont, majoritairement, responsables des accidents dans les avions. En deuxième position, on trouve les connecteurs considérés par les constructeurs comme le maillon faible pour les aéronefs modernes [13].
Les problèmes dans les câbles peuvent également être à l’origine de coûts énormes : en 2004, l’US Navy a dû abandonner plus de 1400 missions à cause des problèmes de câblage, et garder à peu près 2% à 3% de sa flotte aérienne au sol pour les mêmes raisons. Le coût de maintenance d’un avion immobilisé a été estimé par plusieurs compagnies aériennes à 150000 dollars par heure.
Dans ce contexte, les États-Unis (USCG1, NAVAIR2, NASA3, FAA4) ont essayé de recenser
et évaluer les défauts proéminents dans les faisceaux de câbles électriques. Malgré que ces organismes n’aient pas les mêmes aéronefs, pratiques de maintenance, méthodes de collecte de données et environnements d’exploitation, ils ont quasiment rencontré les mêmes problèmes dans les câbles. La figure 1.9 illustre les données collectées par l’US NAVY [15] détaillant les défauts de câblage notés lors des opérations de maintenance entre 1980 et 1999. Elle montre que les défauts dus aux frottements (37%), court-circuits (18%) et circuits ouverts (11%) sont les plus
1. United States Coast Guard 2. Naval Air Systems Command
3. National Aeronautics and Space Administration 4. Federal Aviation Agency
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