Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2024 · Métropole - Systèmes d'Information et Numérique (SIN)

Mise en situation

Le projet d'un téléphérique urbain, de 3 km, à Toulouse, reliant l'Oncopole à l'Université Paul Sabatier et passant par le CHU de Rangueil, a été inauguré le 13 mai 2022 sous le nom de Téléo.

Trois gares ont été implantées: une gare motrice au niveau de l'Université Paul Sabatier (UPS), une gare retour à l'Oncopole (ONC) et une gare intermédiaire au CHU de Rangueil (CHU).

Le choix d'un téléphérique urbain

Le choix d'un téléphérique et le tracé ont été choisis pour proposer une alternative efficace aux véhicules personnels qui circulent sur un réseau saturé. En effet, la rocade de Toulouse est très souvent embouteillée aux heures de pointe.

Particularités du type de téléphérique à câbles retenu

Le téléphérique est de type 3S; constitué de trois câbles: un câble tracteur et deux câbles porteurs. Le câble tracteur met en mouvement les cabines et les deux câbles porteurs supportent le déplacement de l'ensemble chariot, suspente et cabine.

Données de trajet

En voiture, le trajet de 7,4 km entre la gare de l'Université Paul Sabatier (UPS) et la gare de l'Oncopole, dure en moyenne 14 minutes en temps normal et 28 minutes en heures de pointe. La distance parcourue par le téléphérique entre la gare de l'Université Paul Sabatier et la gare Oncopole est de 3 km.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT2: évolution des parts des modes de transport (en nombre de déplacements) en France métropolitaine entre 2008 et 2019

DT3: caractéristiques des différentes typologies des télécabines à mouvement unidirectionnel continu

DT4: comparatif des émissions de gaz à effet de serre de différents modes de transport

DT5: document d'informations du téléphérique réalisé par TISSEO

Partie 1: le téléphérique de Toulouse Téléo est-t-il une solution de mobilité urbaine durable et environnementale ?

Question 1.1

À partir du document DT2:

En voiture, le trajet de 7,4 km entre la gare de l'Université Paul Sabatier (UPS) et la gare de l'Oncopole, dure en moyenne 14 minutes en temps normal et 28 minutes en heures de pointe. La distance parcourue par le téléphérique entre la gare de l'Université Paul Sabatier et la gare Oncopole est de 3 km.

Question 1.3

Calculer, en minutes, la durée du trajet en téléphérique entre l'Université Paul Sabatier et l'Oncopole à la vitesse de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ et en tenant compte d'un arrêt de 20 s en gare du CHU de Rangueil.

min

Calculer, en minutes, pour le même parcours, le gain de temps réalisé par rapport au transport en voiture en temps normal et en heures de pointe.

min

min

Question 1.4

À l'aide des documents DT4 et DT5, calculer le rapport des émissions de gaz à effet de serre du mode de transport par voiture sur le mode de transport par téléphérique.

Comparer la valeur trouvée précédemment avec la valeur communiquée par TISSEO.

Question 1.5

Justifier l'utilité du téléphérique de Toulouse, d'un point de vue fonctionnel et environnemental.

Mise en situation

Le projet d'un téléphérique urbain, de 3 km, à Toulouse, reliant l'Oncopole à l'Université Paul Sabatier et passant par le CHU de Rangueil, a été inauguré le 13 mai 2022 sous le nom de Téléo.

Trois gares ont été implantées: une gare motrice au niveau de l'Université Paul Sabatier (UPS), une gare retour à l'Oncopole (ONC) et une gare intermédiaire au CHU de Rangueil (CHU).

Le choix d'un téléphérique urbain

Le choix d'un téléphérique et le tracé ont été choisis pour proposer une alternative efficace aux véhicules personnels qui circulent sur un réseau saturé. En effet, la rocade de Toulouse est très souvent embouteillée aux heures de pointe.

Particularités du type de téléphérique à câbles retenu

Le téléphérique est de type 3S; constitué de trois câbles: un câble tracteur et deux câbles porteurs. Le câble tracteur met en mouvement les cabines et les deux câbles porteurs supportent le déplacement de l'ensemble chariot, suspente et cabine.

Données de trajet

En voiture, le trajet de 7,4 km entre la gare de l'Université Paul Sabatier (UPS) et la gare de l'Oncopole, dure en moyenne 14 minutes en temps normal et 28 minutes en heures de pointe. La distance parcourue par le téléphérique entre la gare de l'Université Paul Sabatier et la gare Oncopole est de 3 km.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT2: évolution des parts des modes de transport (en nombre de déplacements) en France métropolitaine entre 2008 et 2019

DT3: caractéristiques des différentes typologies des télécabines à mouvement unidirectionnel continu

DT4: comparatif des émissions de gaz à effet de serre de différents modes de transport

DT5: document d'informations du téléphérique réalisé par TISSEO

Partie 1 – Question 1.2

À partir des documents DT1 (diagramme d'exigences) et DT3 (caractéristiques des typologies de télécabines):

a)

Relever les valeurs associées à l'exigence « besoin performance » concernant le débit attendu de passagers (exigence Id = « 11 »):

b)

Justifier la typologie de télécabines à mouvement unidirectionnel continu retenue (téléphérique 3S) pour le téléphérique de Toulouse au regard des caractéristiques du tracé et des exigences.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entrainement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entrainement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entrainement principal du câble tracteur:

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entrainement principal du câble tracteur:

Système d'entrainement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraine la poulie motrice.

Système d'entrainement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires:

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entrainement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales ($v_1 = 6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe ($v_2 = 6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

DT6: système d'entrainement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entrainement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier:

Le système d'entrainement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entrainement: Les moteurs M1 et/ou M2 entrainent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entrainer seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entrainer le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

UPS = Université Paul Sabatier | CHU = Centre Hospitalier Universitaire | ONC = Oncopole

Document réponses DR1 (Diagrammes de blocs internes ibd)

Partie 2: Quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

À l'aide du document technique DT6, répondre aux questions suivantes concernant le système d'entraînement principal du câble tracteur.

1.

2.

3.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entrainement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entrainement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entrainement principal du câble tracteur:

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entrainement principal du câble tracteur:

Système d'entrainement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraine la poulie motrice.

Système d'entrainement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires:

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entrainement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales ($v_1 = 6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe ($v_2 = 6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

DT6: système d'entrainement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entrainement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier:

Le système d'entrainement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entrainement: Les moteurs M1 et/ou M2 entrainent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entrainer seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entrainer le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

UPS = Université Paul Sabatier | CHU = Centre Hospitalier Universitaire | ONC = Oncopole

Document réponses DR1 (Diagrammes de blocs internes ibd)

Question 2.2 (DR1) — Compléter les diagrammes ibd partiels des systèmes d'entraînement principaux 1 et 2, en précisant la nature des flux d'énergies en utilisant les termes suivants: énergie électrique modulée – énergie mécanique de rotation adaptée – énergie mécanique de rotation – énergie électrique

1.

2.

3.

4.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entrainement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entrainement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entrainement principal du câble tracteur:

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entrainement principal du câble tracteur:

Système d'entrainement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraine la poulie motrice.

Système d'entrainement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires:

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entrainement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales ($v_1 = 6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe ($v_2 = 6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

DT6: système d'entrainement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entrainement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier:

Le système d'entrainement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entrainement: Les moteurs M1 et/ou M2 entrainent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entrainer seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entrainer le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

UPS = Université Paul Sabatier | CHU = Centre Hospitalier Universitaire | ONC = Oncopole

Document réponses DR1 (Diagrammes de blocs internes ibd)

Question 2.3

À partir du DR1, calculer les rendements globaux $r_1$ et $r_2$ des systèmes d'entraînement principaux 1 et 2.

En déduire le système d'entraînement principal le plus avantageux concernant l'optimisation de la consommation d'énergie.

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Compléter les valeurs manquantes pour la Vitesse 2 dans le tableau de synthèse du document réponses DR3:

Questions

Grandeur

Vitesse 1

Vitesse 2

Q2.4

Vitesse max atteinte (m·s⁻¹)

6 m·s⁻¹

m·s⁻¹

Durée du trajet (s)

560 s

s

Comparaison au temps en voiture (> ou <)

<

Q2.7

Puissance électrique consommée par le moteur (kW)

Pa₁ = 852,28 kW

kW

Q2.8

Énergie totale consommée en une journée par le moteur (kW·h)

E₁ = 13 636,55 kW·h

kW·h

Question 2.10

Conclure sur les moyens mis en œuvre pour réduire la consommation énergétique du système motorisé d'entraînement principal du câble tracteur, tout en gardant un service rendu satisfaisant à l'utilisateur.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entrainement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entrainement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entrainement principal du câble tracteur:

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entrainement principal du câble tracteur:

Système d'entrainement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraine la poulie motrice.

Système d'entrainement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires:

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entrainement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales ($v_1 = 6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe ($v_2 = 6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

DT6: système d'entrainement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entrainement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier:

Le système d'entrainement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entrainement: Les moteurs M1 et/ou M2 entrainent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entrainer seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entrainer le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

UPS = Université Paul Sabatier | CHU = Centre Hospitalier Universitaire | ONC = Oncopole

Document réponses DR1 (Diagrammes de blocs internes ibd)

Le document technique DT6 présente le système d'entraînement principal. Le diamètre d'une poulie motrice est de $D = 4{,}55\text{ m}$.

Les vitesses des cabines sont de $6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ pour V1 et de $6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ pour V2.

Question 2.5

Calculer la vitesse angulaire d'une poulie motrice en $\text{rad}\cdot\text{s}^{-1}$ pour la vitesse 2. Reporter la valeur sur le DR3.

Le couple de la poulie motrice est égal à $C = 307\text{ kN}\cdot\text{m}$ quelle que soit la vitesse des cabines.

Question 2.6

Vérifier que la puissance mécanique fournie par le moteur pour la vitesse 2 est $917{,}6\text{ kW}$.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entrainement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entrainement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entrainement principal du câble tracteur:

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entrainement principal du câble tracteur:

Système d'entrainement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraine la poulie motrice.

Système d'entrainement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires:

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entrainement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales ($v_1 = 6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe ($v_2 = 6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

DT6: système d'entrainement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entrainement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier:

Le système d'entrainement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entrainement: Les moteurs M1 et/ou M2 entrainent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entrainer seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entrainer le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

UPS = Université Paul Sabatier | CHU = Centre Hospitalier Universitaire | ONC = Oncopole

Document réponses DR1 (Diagrammes de blocs internes ibd)

Lorsque la vitesse des cabines est fixée à sa valeur maximale, l'énergie consommée en une journée par le moteur est de 19 200 kW·h.

Lorsque le déplacement des cabines est géré en fonction des deux vitesses V1 et V2, l'énergie consommée en une journée par le moteur est de 15 569 kW·h.

Question 2.9

En sachant que le prix TTC du kW·h est de 0,075 €, calculer l'économie journalière en euros réalisée par la mise en œuvre d'une variation de vitesse des cabines. Reporter la valeur sur le DR3.

€

Partie 3: comment faciliter l'accès du Téléo aux personnes à mobilité réduite (P.M.R.) ?

Tous les moyens de transport, y compris les téléphériques, doivent être accessibles aux personnes en situation de handicap.

Zone « parking » Oncopole:

Question 3.1: Vérifier la conformité du parking vis-à-vis des quatre exigences manquantes de la réglementation à savoir: situation, nombre, caractéristiques dimensionnelles, atteintes et usages.

EXIGENCES · OUI/NON · JUSTIFICATION

Situation · Places de stationnement adaptées localisées à proximité d'une entrée

Repérage · Présence d'un marquage au sol · Oui · Indiqué sur la vue en plan

Présence d'une signalisation verticale · Oui · Indiqué sur le repérage

Nombre · 2% du nombre total de places de parking

Caractéristiques dimensionnelles · Devers inférieur ou égal à 2%

Largeur minimale des places adaptées est de 3,30m

Longueur minimale des places adaptées est de 5 m.

Atteinte et usage · Appareils d'interphonie munis d'un système permettant de visualiser le conducteur.

Rampe d'accès nord de la gare Oncopole:

Question 3.2: Calculer la pente moyenne en % entre les profils 1N et 6N.

%

Lorsqu'une dénivellation ne peut être évitée, un plan incliné de pente inférieure ou égale à 6 % doit être aménagé afin de la franchir.

Question 3.3: Conclure quant à la conformité de la zone « parking Oncopole » y compris la rampe d'accès nord vis-à-vis de la réglementation.

Partie 4: comment identifier une personne à distance ?

Le site comprend 280 caméras connectées au réseau informatique local.

Document technique DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

Configuration du réseau informatique (Document réponses DR2)

Le document réponses DR2 représente de manière simplifiée le réseau de vidéoprotection limité à quatre caméras par gare.

Rappel: un masque de sous-réseau 255.255.0.0 peut aussi s'écrire « /16 ».

Identification de la personne: géométrie de prise de vue

Le schéma simplifié ci-dessous représente la zone surveillée par la caméra V_CHU01:

Quand une cabine se présente à la gare CHU, le quai est filmé par une caméra positionnée à une distance de 6 mètres face aux portes de la cabine. Son angle de vue horizontal est de 70°.

Document technique DT10: besoin en vidéoprotection

Partie 4: comment identifier une personne à distance ?

Le site comprend 280 caméras connectées au réseau informatique local.

Configuration du réseau informatique:

Le document réponses DR2 représente de manière simplifiée le réseau de vidéoprotection limité à quatre caméras par gare.

Rappel: un masque de sous-réseau 255.255.0.0 peut aussi s'écrire « /16 ».

4.1

Question 4.1: Compléter le DR2 en proposant des adresses IP compatibles avec leurs masques de sous-réseau associés pour les caméras de la gare CHU (Centre Hospitalier Universitaire).

/

/

/

/

4.2

Question 4.2: Déterminer le nombre maximal de clients que l'on peut adresser sur ce réseau. Valider le choix d'un masque « /16 » pour adresser l'ensemble des 280 caméras du site.

Partie 4: comment identifier une personne à distance ?

Le site comprend 280 caméras connectées au réseau informatique local.

Document technique DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

Configuration du réseau informatique (Document réponses DR2)

Le document réponses DR2 représente de manière simplifiée le réseau de vidéoprotection limité à quatre caméras par gare.

Rappel: un masque de sous-réseau 255.255.0.0 peut aussi s'écrire « /16 ».

Identification de la personne: géométrie de prise de vue

Le schéma simplifié ci-dessous représente la zone surveillée par la caméra V_CHU01:

Quand une cabine se présente à la gare CHU, le quai est filmé par une caméra positionnée à une distance de 6 mètres face aux portes de la cabine. Son angle de vue horizontal est de 70°.

Document technique DT10: besoin en vidéoprotection

Identification de la personne

Le schéma simplifié ci-dessous représente la zone surveillée par la caméra V_CHU01:

Quand une cabine se présente à la gare CHU, le quai est filmé par une caméra positionnée à une distance de 6 mètres face aux portes de la cabine. Son angle de vue horizontal est de 70°.

4.3

À partir du schéma simplifié en vue de dessus, calculer la largeur de la zone surveillée en m.

La largeur de la zone surveillée est de 8,5 mètres.

4.4

En sachant que la caméra a une résolution horizontale de 2 688 pixels, calculer la largeur en cm que représente 1 pixel sur l'image captée par la caméra.

4.5

(DT1, DT10) Citer le type de besoin opérationnel imposé par le cahier des charges fonctionnel concernant la vidéoprotection.

En déduire le nombre minimum de pixels horizontaux pour filmer un visage.

La largeur d'un pixel sur l'image captée représente 0,32 cm.

4.6

En considérant qu'une personne a une largeur de visage de 16 cm, justifier par un calcul et une comparaison que l'exigence sur l'identification des personnes est bien validée.

Partie 5: comment assurer le confort thermique des passagers d'une cabine ?

La cabine ne dispose pas de fenêtres ouvrantes. En cas d'arrêt prolongé en plein soleil, la température intérieure peut atteindre des valeurs difficilement supportables pour les passagers.

Principe de fonctionnement de la ventilation:

Le principe de la ventilation de la cabine est présenté sur le DT11. Quatre fonctionnements sont possibles:

En fonctionnement NORMAL, la cabine est en mouvement et elle se ventile naturellement grâce aux grilles d'aération hautes et basses. Sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent et tout l'air est rejeté à l'arrière de la cabine du fait de son déplacement.

En fonctionnement ARRET PROLONGÉ, sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent tout comme le ventilateur d'extraction (VEX) qui extrait l'air de la cabine entrant par les grilles d'aération.

En fonctionnement EXTRACTION, avec ou sans passager(s), tous les ventilateurs fonctionnent.

En fonctionnement PARKING, tous les ventilateurs sont arrêtés.

En plus de la ventilation, les concepteurs ont équipé la cabine de deux spoilers, un à l'avant et un à l'arrière.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT11: principe de la ventilation de la cabine

La ventilation passive est réalisée grâce à des grilles d'aération en bas et au plafond à l'avant et à l'arrière de la cabine. La ventilation active est réalisée par des ventilateurs situés en bas de la cabine (VB) et en toiture (VEX). Un détecteur de mouvements fixé au plafond détecte la présence de passagers (DP).

Résultats des tests de confort thermique:

Date du test: 21 juin 2022 Température extérieure: 37,5 °C

Relevés des températures ambiantes à l'intérieur de la cabine:

· Spoiler AR · Spoiler AV · Fonctionnement normal · Arrêt prolongé

Test n°1 · retiré · retiré · 38,5 °C · 44 °C

Test n°2 · en place · retiré · 38 °C · 42,7 °C

Test n°3 · retiré · en place · 38,5 °C · 42,7 °C

Test n°4 · en place · en place · 37,7 °C · 42 °C

Spoiler AR = spoiler à l'arrière de la cabine | Spoiler AV = spoiler à l'avant de la cabine

Partie 5: comment assurer le confort thermique des passagers d'une cabine ?

La cabine ne dispose pas de fenêtres ouvrantes. En cas d'arrêt prolongé en plein soleil, la température intérieure peut atteindre des valeurs difficilement supportables pour les passagers.

5.1

Citer l'exigence imposée concernant le confort thermique de la cabine en fonctionnement normal et en arrêt prolongé par temps chaud (document DT1).

5.5

En plus de la ventilation, les concepteurs ont équipé la cabine de deux spoilers, un à l'avant et un à l'arrière.

À partir des résultats des tests de confort thermique (DT11, pour une température extérieure de $37{,}5\ ^\circ\mathrm{C}$), montrer que seul ce choix permet de répondre aux exigences de confort imposées.

Partie 5: comment assurer le confort thermique des passagers d'une cabine ?

La cabine ne dispose pas de fenêtres ouvrantes. En cas d'arrêt prolongé en plein soleil, la température intérieure peut atteindre des valeurs difficilement supportables pour les passagers.

Principe de fonctionnement de la ventilation:

Le principe de la ventilation de la cabine est présenté sur le DT11. Quatre fonctionnements sont possibles:

En fonctionnement NORMAL, la cabine est en mouvement et elle se ventile naturellement grâce aux grilles d'aération hautes et basses. Sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent et tout l'air est rejeté à l'arrière de la cabine du fait de son déplacement.

En fonctionnement ARRET PROLONGÉ, sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent tout comme le ventilateur d'extraction (VEX) qui extrait l'air de la cabine entrant par les grilles d'aération.

En fonctionnement EXTRACTION, avec ou sans passager(s), tous les ventilateurs fonctionnent.

En fonctionnement PARKING, tous les ventilateurs sont arrêtés.

En plus de la ventilation, les concepteurs ont équipé la cabine de deux spoilers, un à l'avant et un à l'arrière.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT11: principe de la ventilation de la cabine

La ventilation passive est réalisée grâce à des grilles d'aération en bas et au plafond à l'avant et à l'arrière de la cabine. La ventilation active est réalisée par des ventilateurs situés en bas de la cabine (VB) et en toiture (VEX). Un détecteur de mouvements fixé au plafond détecte la présence de passagers (DP).

Résultats des tests de confort thermique:

Date du test: 21 juin 2022 Température extérieure: 37,5 °C

Relevés des températures ambiantes à l'intérieur de la cabine:

· Spoiler AR · Spoiler AV · Fonctionnement normal · Arrêt prolongé

Test n°1 · retiré · retiré · 38,5 °C · 44 °C

Test n°2 · en place · retiré · 38 °C · 42,7 °C

Test n°3 · retiré · en place · 38,5 °C · 42,7 °C

Test n°4 · en place · en place · 37,7 °C · 42 °C

Spoiler AR = spoiler à l'arrière de la cabine | Spoiler AV = spoiler à l'avant de la cabine

Question 5.2

Compléter le document réponses DR5 en représentant avec des flèches les flux d'air entrant et sortant de la cabine en présence de passagers en fonctionnement NORMAL et en ARRÊT PROLONGÉ.

Exemple donné pour le fonctionnement NORMAL sans passager:

Complétez les zones en pointillés sur le schéma ci-dessous en indiquant le sens des flux d'air et l'état des ventilateurs:

Partie 5: comment assurer le confort thermique des passagers d'une cabine ?

La cabine ne dispose pas de fenêtres ouvrantes. En cas d'arrêt prolongé en plein soleil, la température intérieure peut atteindre des valeurs difficilement supportables pour les passagers.

Principe de fonctionnement de la ventilation:

Le principe de la ventilation de la cabine est présenté sur le DT11. Quatre fonctionnements sont possibles:

En fonctionnement NORMAL, la cabine est en mouvement et elle se ventile naturellement grâce aux grilles d'aération hautes et basses. Sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent et tout l'air est rejeté à l'arrière de la cabine du fait de son déplacement.

En fonctionnement ARRET PROLONGÉ, sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent tout comme le ventilateur d'extraction (VEX) qui extrait l'air de la cabine entrant par les grilles d'aération.

En fonctionnement EXTRACTION, avec ou sans passager(s), tous les ventilateurs fonctionnent.

En fonctionnement PARKING, tous les ventilateurs sont arrêtés.

En plus de la ventilation, les concepteurs ont équipé la cabine de deux spoilers, un à l'avant et un à l'arrière.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT11: principe de la ventilation de la cabine

La ventilation passive est réalisée grâce à des grilles d'aération en bas et au plafond à l'avant et à l'arrière de la cabine. La ventilation active est réalisée par des ventilateurs situés en bas de la cabine (VB) et en toiture (VEX). Un détecteur de mouvements fixé au plafond détecte la présence de passagers (DP).

Résultats des tests de confort thermique:

Date du test: 21 juin 2022 Température extérieure: 37,5 °C

Relevés des températures ambiantes à l'intérieur de la cabine:

· Spoiler AR · Spoiler AV · Fonctionnement normal · Arrêt prolongé

Test n°1 · retiré · retiré · 38,5 °C · 44 °C

Test n°2 · en place · retiré · 38 °C · 42,7 °C

Test n°3 · retiré · en place · 38,5 °C · 42,7 °C

Test n°4 · en place · en place · 37,7 °C · 42 °C

Spoiler AR = spoiler à l'arrière de la cabine | Spoiler AV = spoiler à l'avant de la cabine

Pilotage des ventilateurs de la cabine

5.3

Les bits B1 et B0 permettent de coder le mode de fonctionnement de la ventilation.

Un niveau logique 0 sur VB ou VEX signifie que le ventilateur est à l'arrêt.

Un niveau logique 1 sur DP signifie qu'une personne est détectée dans la cabine.

Compléter la table de vérité de VB:

fonctionnement

B1

B0

DP

VB

VEX

NORMAL

0

0

0

0

0

0

0

1

0

ARRÊT PROLONGÉ

0

1

0

0

0

1

1

1

EXTRACTION

1

0

0

1

1

0

1

1

PARKING

1

1

0

0

1

1

1

0

5.4

Compléter l'algorigramme du pilotage des ventilateurs en utilisant les termes: activer ou arrêter.

Fonctionnement NORMAL

VB

VB

VEX

Fonctionnement ARRÊT PROLONGÉ

VB

VEX

VB

VEX

Fonctionnement EXTRACTION

VB

VEX

Fonctionnement PARKING

VB

VEX

Mise en situation

La supervision du site permet de suivre l'état des équipements et de les piloter à distance en temps réel. Les problèmes techniques sont:

l'impossibilité d'utiliser une transmission de données filaires avec la cabine;

l'étendue du site et le nombre d'équipements techniques à superviser;

les contraintes thermiques de certains composants de la cabine.

Dans ce sujet, le suffixe 0x signifie que le nombre est noté en hexadécimal. Par exemple, 0x01, 0x36, 0x3C sont des nombres hexadécimaux.

Partie A: comment communiquer et maintenir la communication entre la cabine et le réseau informatique local tout le long du trajet ?

L'objectif est de vérifier que les adresses IP et MAC des clients du réseau permettent la transmission de caractères à l'écran voyageurs situé dans la cabine n°1. Les performances de la transmission WiFi doivent être aussi suffisantes tout le long du trajet.

Schéma simplifié de la communication entre la cabine n°1 et le réseau local fixe:

Un logiciel d'analyse de protocole réseau a capturé un paquet de données sur le réseau Ethernet de la cabine.

Document réponses DRS1 – Paquet capturé sur le réseau Ethernet de la cabine n°1

Document technique DTS1: lecture d'un paquet Ethernet

Exemple de décodage d'un paquet Ethernet:

octet n · Valeurs · Signification

0000 · 20 66 cf 0b b3 d6 · Adresse MAC destination = 20:66:cf:0b:b3:d6

0006 · 00 e0 49 18 07 0d · Adresse MAC source = 00:e0:49:18:07:0d

000C · 08 00 · Ether Type = 0x0800 → IPv4

000E · 45 · 4 → Version IPv4; 5 → longueur de l'entête = 20 octets

000F · 00 00 28 32 bf 40 00 80 ·... suite de l'entête IP

0017 · 06 · Protocole = 0x06 → TCP

0018 · 44 bb · Checksum, somme de contrôle de l'entête

001A · c0 a8 01 03 · Adresse IP source = 192.168.1.3

001E · c0 a8 01 02 · Adresse IP destination = 192.168.1.2

0022 · cd 45 · Port source = 52549

0024 · 1f 49 · Port destination = 8009

0026 · cc......... · Suite du paquet, données...

Document technique DTS2: extrait de la table des caractères ASCII

Exemple de codage d'une chaîne de caractères:

Le codage de la chaîne de caractères « ONC 2 » donne la suite: 0x4F, 0x4E, 0x43, 0x20, 0x32, 0x00. En tout elle comporte 6 octets, caractère de fin de chaîne 0x00 inclus.

Les textes affichés sur l'écran voyageurs sont transmis en code ASCII. Pour le paquet capturé sur le DRS1, la chaîne de caractères transmise débute à l'octet n°0x0042 et elle se termine par le code ASCII de fin de chaîne 0x00.

Document technique DTS3: principe de la transmission WiFi

La cabine est toujours connectée à un client WiFi et un seul. Plus elle s'éloigne, plus la puissance du signal WiFi s'atténue et le débit des données diminue. Elle se connecte automatiquement à celui dont le signal est le plus puissant, généralement le plus proche. Sur le schéma simplifié ci-dessus, entre les gares UPS et ONC la cabine se connecte successivement aux 13 clients qui couvrent les 13 zones (1 à 13) repérées ci-dessus.

Performances maximales de la transmission WiFi

Le graphe ci-dessous représente les performances maximales de la transmission WiFi entre les gares UPS et ONC mesurées depuis la cabine dans les deux sens de communication.

Débit mesuré de la communication depuis la cabine:

au maximum 7 Mbits·s -1 en émission et 200 kbits·s -1 en réception.

Plusieurs cabines sont en mouvement sur la ligne et deux peuvent s'arrêter en même temps à la gare CHU. Le graphe montre que les performances de la transmission sont les plus faibles à la sortie de cette gare.

Question A.1

À partir du paquet capturé sur le réseau Ethernet de la cabine n°1 (DRS1) et des documents techniques, compléter le tableau des adresses MAC et IP source et destination:

Source

Destination

Adresse MAC

Adresse IP en hexadécimal

Adresse IP en notation décimale pointée

Question A.3

Interpréter le changement de débit en UPLINK entre 442 et 463 secondes sur le graphe des performances maximales ci-dessus.

Question A.4

Relever la valeur des débits minimum et maximum mesurés sur la ligne pour les deux sens de communication (UPLINK et DOWNLINK):

Liaison montante (UPLINK):

Liaison descendante (DOWNLINK):

Pour les deux questions qui suivent, le débit mesuré de la communication depuis la cabine est au maximum de 7 Mbits·s⁻¹ en émission et de 200 kbits·s⁻¹ en réception.

Question A.5

Les performances de la transmission WiFi permettent-elles de garantir la communication d'une cabine tout au long du trajet ? Justifier la réponse en effectuant des comparaisons entre les différents débits.

Question A.6

Plusieurs cabines sont en mouvement sur la ligne et deux peuvent s'arrêter en même temps à la gare CHU. Le graphe ci-dessus montre que les performances de la transmission sont les plus faibles à la sortie de cette gare.

Dans la zone où les performances de la transmission sont les plus faibles, déterminer combien de cabines peuvent se connecter au client WiFi.

Mise en situation

La supervision du site permet de suivre l'état des équipements et de les piloter à distance en temps réel. Les problèmes techniques sont:

l'impossibilité d'utiliser une transmission de données filaires avec la cabine;

l'étendue du site et le nombre d'équipements techniques à superviser;

les contraintes thermiques de certains composants de la cabine.

Dans ce sujet, le suffixe 0x signifie que le nombre est noté en hexadécimal. Par exemple, 0x01, 0x36, 0x3C sont des nombres hexadécimaux.

Partie A: comment communiquer et maintenir la communication entre la cabine et le réseau informatique local tout le long du trajet ?

L'objectif est de vérifier que les adresses IP et MAC des clients du réseau permettent la transmission de caractères à l'écran voyageurs situé dans la cabine n°1. Les performances de la transmission WiFi doivent être aussi suffisantes tout le long du trajet.

Schéma simplifié de la communication entre la cabine n°1 et le réseau local fixe:

Un logiciel d'analyse de protocole réseau a capturé un paquet de données sur le réseau Ethernet de la cabine.

Document réponses DRS1 – Paquet capturé sur le réseau Ethernet de la cabine n°1

Document technique DTS1: lecture d'un paquet Ethernet

Exemple de décodage d'un paquet Ethernet:

octet n · Valeurs · Signification

0000 · 20 66 cf 0b b3 d6 · Adresse MAC destination = 20:66:cf:0b:b3:d6

0006 · 00 e0 49 18 07 0d · Adresse MAC source = 00:e0:49:18:07:0d

000C · 08 00 · Ether Type = 0x0800 → IPv4

000E · 45 · 4 → Version IPv4; 5 → longueur de l'entête = 20 octets

000F · 00 00 28 32 bf 40 00 80 ·... suite de l'entête IP

0017 · 06 · Protocole = 0x06 → TCP

0018 · 44 bb · Checksum, somme de contrôle de l'entête

001A · c0 a8 01 03 · Adresse IP source = 192.168.1.3

001E · c0 a8 01 02 · Adresse IP destination = 192.168.1.2

0022 · cd 45 · Port source = 52549

0024 · 1f 49 · Port destination = 8009

0026 · cc......... · Suite du paquet, données...

Document technique DTS2: extrait de la table des caractères ASCII

Exemple de codage d'une chaîne de caractères:

Le codage de la chaîne de caractères « ONC 2 » donne la suite: 0x4F, 0x4E, 0x43, 0x20, 0x32, 0x00. En tout elle comporte 6 octets, caractère de fin de chaîne 0x00 inclus.

Les textes affichés sur l'écran voyageurs sont transmis en code ASCII. Pour le paquet capturé sur le DRS1, la chaîne de caractères transmise débute à l'octet n°0x0042 et elle se termine par le code ASCII de fin de chaîne 0x00.

Document technique DTS3: principe de la transmission WiFi

La cabine est toujours connectée à un client WiFi et un seul. Plus elle s'éloigne, plus la puissance du signal WiFi s'atténue et le débit des données diminue. Elle se connecte automatiquement à celui dont le signal est le plus puissant, généralement le plus proche. Sur le schéma simplifié ci-dessus, entre les gares UPS et ONC la cabine se connecte successivement aux 13 clients qui couvrent les 13 zones (1 à 13) repérées ci-dessus.

Performances maximales de la transmission WiFi

Le graphe ci-dessous représente les performances maximales de la transmission WiFi entre les gares UPS et ONC mesurées depuis la cabine dans les deux sens de communication.

Débit mesuré de la communication depuis la cabine:

au maximum 7 Mbits·s -1 en émission et 200 kbits·s -1 en réception.

Plusieurs cabines sont en mouvement sur la ligne et deux peuvent s'arrêter en même temps à la gare CHU. Le graphe montre que les performances de la transmission sont les plus faibles à la sortie de cette gare.

Les textes affichés sur l'écran voyageurs sont transmis en code ASCII. Pour le paquet capturé sur le DRS1, la chaîne de caractères transmise débute à l'octet n°0x0042 et elle se termine par le code ASCII de fin de chaîne 0x00.

Question A.2 (DTS1, DTS2, DRS1):

a)

b)

Partie B: comment piloter l'éclairage de la gare ONC depuis le poste de supervision situé à plusieurs kilomètres ?

Afin d’optimiser le confort tout en améliorant l’efficacité énergétique, l’éclairage du site est piloté par un système communicant KNX.

Schéma simplifié partiel du pilotage de l’éclairage de la gare Oncopole (ONC)

Le module 8 sorties KNX pilote l’éclairage des quais, des locaux techniques et le logo lumineux de la gare, entre autres. Dans une installation KNX chaque appareil communicant s’appelle un participant.

La liaison physique informatique entre la gare UPS et la gare ONC est réalisée par une fibre optique intégrée dans l’un des quatre câbles porteurs. On rappelle que la distance entre ces deux gares est de 3 km.

Adressage et architecture KNX

Une adresse physique KNX est composée de 3 nombres séparés par des points. Par exemple, dans la zone n°1, sur la ligne n°5, le participant n°2 a comme adresse: 1.5.2.

En pratique, il existe des limitations dans une installation KNX: on peut créer 15 zones, avec 15 lignes par zone et 63 participants par ligne. Sur le site du Téléo, il y a environ 300 participants à adresser.

Document technique DTS4: technologies Ethernet

Document technique DTS5: transmission KNX

L’émission d’un octet commence par un bit de START au niveau logique 0 suivi des 8 bits de données transmis LSB en premier, puis d’un bit de parité P (paire) et d’un bit de STOP au niveau logique 1. Un temps de PAUSE correspondant à 2 bits au repos est émis entre chaque octet.

Codage des états logiques:

Le bus est polarisé et la tension continue présente à ses bornes permet d’alimenter les participants.

Document technique DTS6: schéma électrique partiel de la gare ONC

Le DTS6 représente le câblage du module 8 sorties. Par exemple, l’éclairage du logo de la station est piloté par la sortie E du module qui alimente la bobine du relais de puissance KM5.

Document réponses DRS2: relevé d'oscillogramme de la trame KNX

B.1

(DTS4) Justifier l'utilisation d'une liaison par fibre optique entre les gares UPS et ONC.

B.4

En pratique, il existe des limitations dans une installation KNX: on peut créer 15 zones, avec 15 lignes par zone et 63 participants par ligne. Sur le site du Téléo, il y a environ 300 participants à adresser.

Calculer le nombre maximal de participants pouvant être adressés.

Montrer que la solution communicante KNX permet d'adresser tous les participants du site.

Partie B: comment piloter l'éclairage de la gare ONC depuis le poste de supervision situé à plusieurs kilomètres ?

Afin d’optimiser le confort tout en améliorant l’efficacité énergétique, l’éclairage du site est piloté par un système communicant KNX.

Schéma simplifié partiel du pilotage de l’éclairage de la gare Oncopole (ONC)

Le module 8 sorties KNX pilote l’éclairage des quais, des locaux techniques et le logo lumineux de la gare, entre autres. Dans une installation KNX chaque appareil communicant s’appelle un participant.

La liaison physique informatique entre la gare UPS et la gare ONC est réalisée par une fibre optique intégrée dans l’un des quatre câbles porteurs. On rappelle que la distance entre ces deux gares est de 3 km.

Adressage et architecture KNX

Une adresse physique KNX est composée de 3 nombres séparés par des points. Par exemple, dans la zone n°1, sur la ligne n°5, le participant n°2 a comme adresse: 1.5.2.

En pratique, il existe des limitations dans une installation KNX: on peut créer 15 zones, avec 15 lignes par zone et 63 participants par ligne. Sur le site du Téléo, il y a environ 300 participants à adresser.

Document technique DTS4: technologies Ethernet

Document technique DTS5: transmission KNX

L’émission d’un octet commence par un bit de START au niveau logique 0 suivi des 8 bits de données transmis LSB en premier, puis d’un bit de parité P (paire) et d’un bit de STOP au niveau logique 1. Un temps de PAUSE correspondant à 2 bits au repos est émis entre chaque octet.

Codage des états logiques:

Le bus est polarisé et la tension continue présente à ses bornes permet d’alimenter les participants.

Document technique DTS6: schéma électrique partiel de la gare ONC

Le DTS6 représente le câblage du module 8 sorties. Par exemple, l’éclairage du logo de la station est piloté par la sortie E du module qui alimente la bobine du relais de puissance KM5.

Document réponses DRS2: relevé d'oscillogramme de la trame KNX

Question B.2

Une adresse physique KNX est composée de 3 nombres séparés par des points. Par exemple, dans la zone n°1, sur la ligne n°5, le participant n°2 a comme adresse: 1.5.2.

D'après la lecture de l'oscillogramme de la trame KNX du DRS2 ci-dessous, déterminer en hexadécimal la valeur de l'octet 2 et de l'octet 3, puis déterminer l'adresse physique en décimal du participant émetteur.

1.

0x

2.

0x

3.

Décomposition de l'adresse physique en décimal:

4.

Partie B: comment piloter l'éclairage de la gare ONC depuis le poste de supervision situé à plusieurs kilomètres ?

Afin d’optimiser le confort tout en améliorant l’efficacité énergétique, l’éclairage du site est piloté par un système communicant KNX.

Schéma simplifié partiel du pilotage de l’éclairage de la gare Oncopole (ONC)

Le module 8 sorties KNX pilote l’éclairage des quais, des locaux techniques et le logo lumineux de la gare, entre autres. Dans une installation KNX chaque appareil communicant s’appelle un participant.

La liaison physique informatique entre la gare UPS et la gare ONC est réalisée par une fibre optique intégrée dans l’un des quatre câbles porteurs. On rappelle que la distance entre ces deux gares est de 3 km.

Adressage et architecture KNX

Une adresse physique KNX est composée de 3 nombres séparés par des points. Par exemple, dans la zone n°1, sur la ligne n°5, le participant n°2 a comme adresse: 1.5.2.

En pratique, il existe des limitations dans une installation KNX: on peut créer 15 zones, avec 15 lignes par zone et 63 participants par ligne. Sur le site du Téléo, il y a environ 300 participants à adresser.

Document technique DTS4: technologies Ethernet

Document technique DTS5: transmission KNX

L’émission d’un octet commence par un bit de START au niveau logique 0 suivi des 8 bits de données transmis LSB en premier, puis d’un bit de parité P (paire) et d’un bit de STOP au niveau logique 1. Un temps de PAUSE correspondant à 2 bits au repos est émis entre chaque octet.

Codage des états logiques:

Le bus est polarisé et la tension continue présente à ses bornes permet d’alimenter les participants.

Document technique DTS6: schéma électrique partiel de la gare ONC

Le DTS6 représente le câblage du module 8 sorties. Par exemple, l’éclairage du logo de la station est piloté par la sortie E du module qui alimente la bobine du relais de puissance KM5.

Document réponses DRS2: relevé d'oscillogramme de la trame KNX

Le DTS6 représente le câblage du module 8 sorties. Par exemple, l'éclairage du logo de la station est piloté par la sortie E du module qui alimente la bobine du relais de puissance KM5.

Question B.3: Déterminer les repères de la sortie du module et du relais de puissance qui pilotent l'éclairage du quai public 2.

Partie C: Comment optimiser la durée de vie des supercapacités embarquées dans la cabine ?

L'énergie consommée par la cabine est fournie par deux supercapacités qui se rechargent lors du passage en gare. Un frotteur entre en contact avec un rail collecteur et l'énergie électrique collectée en quelques dizaines de secondes doit permettre le fonctionnement autonome de la cabine jusqu'à la prochaine gare.

En cas d'arrêt prolongé, les supercapacités se déchargent et des batteries lithium fer phosphate prennent le relais.

Les deux supercapacités sont dans un coffret ventilé sur le toit de la cabine.

Le fonctionnement du ventilateur doit répondre au diagramme d'états ci-dessous:

Pour les besoins de ce sujet, les fonctions de conversion et de traitement de la gestion du ventilateur seront réalisées par le microcontrôleur d'une carte Arduino.

Le capteur de température $R_T$ est une thermistance dont la valeur de la résistance électrique varie en fonction de la température.

L'ensemble $R_T$ et $R_1$ forme un pont diviseur de tension.

La valeur de la résistance $R_1$ est de $100\text{ k}\Omega$.

La tension $VCC$ est de $5\text{ V}$.

La tension $U_T$ sera convertie sur l'entrée analogique A1 de la carte Arduino.

La résolution du CAN est de $10\text{ bits}$ et sa tension de référence $V_{REF}$ est de $5\text{ V}$.

Document technique DTS7: caractéristiques d'une supercapacité

Capacité à 20°C · 130 F (+0%; -20%) · Courant impulsionnel · 2 440 A

Tension maximale · 69 V · Courant de court-circuit · 10 800 A

Surtension · 73,6 V (moins de 5 s) · Durée de vie · 10 ans à 25°C

Température · -40°C à +65°C · 1500 h à 65°C

Courant de fuite nominal · 5,2 mA · Nombre de cycles · 1 000 000 (à 25°C)

Énergie · 86 Wh · Dimensions L×l×h · 635 × 176 × 173 mm

Puissance crête · 186 kW · Masse · 16 kg

Document technique DTS8: ibd de l'alimentation électrique de la cabine

Document technique DTS9: capteur de température, pont diviseur et CAN

Thermistance NXRT15XH103:

Résistance à 25°C: $100\text{ k}\Omega \pm 1\%$

Courant max (25°C): $0{,}12\text{ mA}$

Puissance max (25°C): $7{,}5\text{ mW}$

Relation du pont diviseur de tension:

$$U_1 = \frac{U \times R_1}{R_1 + R_2}$$

Conversion analogique numérique (CAN):

$N$ est le nombre entier sur $n$ bits résultat de la conversion.

Le quantum $q$ est la plus petite tension mesurable par le CAN. Il correspond à la tension d'entrée pour laquelle $N = 1$.

Document technique DTS10: fonctions Arduino

pinMode( pin, OUTPUT); · Configure l'entrée « digitale » n° pin en sortie

pinMode( pin, INPUT); · Configure l'entrée « digitale » n° pin en entrée

analogRead( pin); · Lance la conversion analogique numérique et renvoie le résultat sur 10 bits. L'entrée analogique pin peut prendre la valeur A0, A1, A2, A3, A4 ou A5.

digitalWrite( pin, LOW); · Fixe au niveau logique 0 la patte n° pin

digitalWrite( pin, HIGH); · Fixe au niveau logique 1 la patte n° pin

L'énergie consommée par la cabine est fournie par deux supercapacités qui se rechargent lors du passage en gare. En cas d'arrêt prolongé, les supercapacités se déchargent et des batteries lithium fer phosphate prennent le relais.

Question C.1: Citer le nom de la grandeur physique qui influe le plus sur la durée de vie des supercapacités et donner la valeur maximale de cette grandeur.

Partie C: Comment optimiser la durée de vie des supercapacités embarquées dans la cabine ?

L'énergie consommée par la cabine est fournie par deux supercapacités qui se rechargent lors du passage en gare. Un frotteur entre en contact avec un rail collecteur et l'énergie électrique collectée en quelques dizaines de secondes doit permettre le fonctionnement autonome de la cabine jusqu'à la prochaine gare.

En cas d'arrêt prolongé, les supercapacités se déchargent et des batteries lithium fer phosphate prennent le relais.

Les deux supercapacités sont dans un coffret ventilé sur le toit de la cabine.

Le fonctionnement du ventilateur doit répondre au diagramme d'états ci-dessous:

Pour les besoins de ce sujet, les fonctions de conversion et de traitement de la gestion du ventilateur seront réalisées par le microcontrôleur d'une carte Arduino.

Le capteur de température $R_T$ est une thermistance dont la valeur de la résistance électrique varie en fonction de la température.

L'ensemble $R_T$ et $R_1$ forme un pont diviseur de tension.

La valeur de la résistance $R_1$ est de $100\text{ k}\Omega$.

La tension $VCC$ est de $5\text{ V}$.

La tension $U_T$ sera convertie sur l'entrée analogique A1 de la carte Arduino.

La résolution du CAN est de $10\text{ bits}$ et sa tension de référence $V_{REF}$ est de $5\text{ V}$.

Document technique DTS7: caractéristiques d'une supercapacité

Capacité à 20°C · 130 F (+0%; -20%) · Courant impulsionnel · 2 440 A

Tension maximale · 69 V · Courant de court-circuit · 10 800 A

Surtension · 73,6 V (moins de 5 s) · Durée de vie · 10 ans à 25°C

Température · -40°C à +65°C · 1500 h à 65°C

Courant de fuite nominal · 5,2 mA · Nombre de cycles · 1 000 000 (à 25°C)

Énergie · 86 Wh · Dimensions L×l×h · 635 × 176 × 173 mm

Puissance crête · 186 kW · Masse · 16 kg

Document technique DTS8: ibd de l'alimentation électrique de la cabine

Document technique DTS9: capteur de température, pont diviseur et CAN

Thermistance NXRT15XH103:

Résistance à 25°C: $100\text{ k}\Omega \pm 1\%$

Courant max (25°C): $0{,}12\text{ mA}$

Puissance max (25°C): $7{,}5\text{ mW}$

Relation du pont diviseur de tension:

$$U_1 = \frac{U \times R_1}{R_1 + R_2}$$

Conversion analogique numérique (CAN):

$N$ est le nombre entier sur $n$ bits résultat de la conversion.

Le quantum $q$ est la plus petite tension mesurable par le CAN. Il correspond à la tension d'entrée pour laquelle $N = 1$.

Document technique DTS10: fonctions Arduino

pinMode( pin, OUTPUT); · Configure l'entrée « digitale » n° pin en sortie

pinMode( pin, INPUT); · Configure l'entrée « digitale » n° pin en entrée

analogRead( pin); · Lance la conversion analogique numérique et renvoie le résultat sur 10 bits. L'entrée analogique pin peut prendre la valeur A0, A1, A2, A3, A4 ou A5.

digitalWrite( pin, LOW); · Fixe au niveau logique 0 la patte n° pin

digitalWrite( pin, HIGH); · Fixe au niveau logique 1 la patte n° pin

Question C.2

En s'aidant de l'ibd (document technique DTS8), compléter le document réponses DRS3 en indiquant le nom des blocs et la nature des informations de la chaîne de gestion de la ventilation du coffret.

La nature de l'information peut être: analogique, logique ou numérique.

1.

Nom des blocs fonctionnels (d'après l'ibd DTS8):

2.

Nature de chaque information (analogique, logique ou numérique):

Partie C: Comment optimiser la durée de vie des supercapacités embarquées dans la cabine ?

L'énergie consommée par la cabine est fournie par deux supercapacités qui se rechargent lors du passage en gare. Un frotteur entre en contact avec un rail collecteur et l'énergie électrique collectée en quelques dizaines de secondes doit permettre le fonctionnement autonome de la cabine jusqu'à la prochaine gare.

En cas d'arrêt prolongé, les supercapacités se déchargent et des batteries lithium fer phosphate prennent le relais.

Les deux supercapacités sont dans un coffret ventilé sur le toit de la cabine.

Le fonctionnement du ventilateur doit répondre au diagramme d'états ci-dessous:

Pour les besoins de ce sujet, les fonctions de conversion et de traitement de la gestion du ventilateur seront réalisées par le microcontrôleur d'une carte Arduino.

Le capteur de température $R_T$ est une thermistance dont la valeur de la résistance électrique varie en fonction de la température.

L'ensemble $R_T$ et $R_1$ forme un pont diviseur de tension.

La valeur de la résistance $R_1$ est de $100\text{ k}\Omega$.

La tension $VCC$ est de $5\text{ V}$.

La tension $U_T$ sera convertie sur l'entrée analogique A1 de la carte Arduino.

La résolution du CAN est de $10\text{ bits}$ et sa tension de référence $V_{REF}$ est de $5\text{ V}$.

Document technique DTS7: caractéristiques d'une supercapacité

Capacité à 20°C · 130 F (+0%; -20%) · Courant impulsionnel · 2 440 A

Tension maximale · 69 V · Courant de court-circuit · 10 800 A

Surtension · 73,6 V (moins de 5 s) · Durée de vie · 10 ans à 25°C

Température · -40°C à +65°C · 1500 h à 65°C

Courant de fuite nominal · 5,2 mA · Nombre de cycles · 1 000 000 (à 25°C)

Énergie · 86 Wh · Dimensions L×l×h · 635 × 176 × 173 mm

Puissance crête · 186 kW · Masse · 16 kg

Document technique DTS8: ibd de l'alimentation électrique de la cabine

Document technique DTS9: capteur de température, pont diviseur et CAN

Thermistance NXRT15XH103:

Résistance à 25°C: $100\text{ k}\Omega \pm 1\%$

Courant max (25°C): $0{,}12\text{ mA}$

Puissance max (25°C): $7{,}5\text{ mW}$

Relation du pont diviseur de tension:

$$U_1 = \frac{U \times R_1}{R_1 + R_2}$$

Conversion analogique numérique (CAN):

$N$ est le nombre entier sur $n$ bits résultat de la conversion.

Le quantum $q$ est la plus petite tension mesurable par le CAN. Il correspond à la tension d'entrée pour laquelle $N = 1$.

Document technique DTS10: fonctions Arduino

pinMode( pin, OUTPUT); · Configure l'entrée « digitale » n° pin en sortie

pinMode( pin, INPUT); · Configure l'entrée « digitale » n° pin en entrée

analogRead( pin); · Lance la conversion analogique numérique et renvoie le résultat sur 10 bits. L'entrée analogique pin peut prendre la valeur A0, A1, A2, A3, A4 ou A5.

digitalWrite( pin, LOW); · Fixe au niveau logique 0 la patte n° pin

digitalWrite( pin, HIGH); · Fixe au niveau logique 1 la patte n° pin

Pour les besoins de ce sujet, les fonctions de conversion et de traitement de la gestion du ventilateur seront réalisées par le microcontrôleur d'une carte Arduino.

Le capteur de température $R_T$ est une thermistance dont la valeur de la résistance électrique varie en fonction de la température.

L'ensemble $R_T$ et $R_1$ forme un pont diviseur de tension.

La valeur de la résistance $R_1$ est de $100\text{ k}\Omega$.

La tension $VCC$ est de $5\text{ V}$.

La tension $U_T$ sera convertie sur l'entrée analogique A1 de la carte Arduino.

Question C.4

Déterminer la valeur de la résistance $R_T$ pour une température de $35^\circ\text{C}$ et l'exprimer en $\text{k}\Omega$ sur DRS4.

kΩ

Question C.5

Sur DRS4, calculer la valeur de $U_T$ pour une température de $35^\circ\text{C}$.

La résolution du CAN est de 10 bits ($n = 10$) et sa tension de référence $V_{REF}$ est de $5\text{ V}$.

Question C.6

Sur DRS4, calculer la valeur du quantum $q$ et la valeur de l'entier $N$, résultat de la conversion pour une température de $35^\circ\text{C}$.

Partie C: Comment optimiser la durée de vie des supercapacités embarquées dans la cabine ?

L'énergie consommée par la cabine est fournie par deux supercapacités qui se rechargent lors du passage en gare. Un frotteur entre en contact avec un rail collecteur et l'énergie électrique collectée en quelques dizaines de secondes doit permettre le fonctionnement autonome de la cabine jusqu'à la prochaine gare.

En cas d'arrêt prolongé, les supercapacités se déchargent et des batteries lithium fer phosphate prennent le relais.

Les deux supercapacités sont dans un coffret ventilé sur le toit de la cabine.

Le fonctionnement du ventilateur doit répondre au diagramme d'états ci-dessous:

Pour les besoins de ce sujet, les fonctions de conversion et de traitement de la gestion du ventilateur seront réalisées par le microcontrôleur d'une carte Arduino.

Le capteur de température $R_T$ est une thermistance dont la valeur de la résistance électrique varie en fonction de la température.

L'ensemble $R_T$ et $R_1$ forme un pont diviseur de tension.

La valeur de la résistance $R_1$ est de $100\text{ k}\Omega$.

La tension $VCC$ est de $5\text{ V}$.

La tension $U_T$ sera convertie sur l'entrée analogique A1 de la carte Arduino.

La résolution du CAN est de $10\text{ bits}$ et sa tension de référence $V_{REF}$ est de $5\text{ V}$.

Document technique DTS7: caractéristiques d'une supercapacité

Capacité à 20°C · 130 F (+0%; -20%) · Courant impulsionnel · 2 440 A

Tension maximale · 69 V · Courant de court-circuit · 10 800 A

Surtension · 73,6 V (moins de 5 s) · Durée de vie · 10 ans à 25°C

Température · -40°C à +65°C · 1500 h à 65°C

Courant de fuite nominal · 5,2 mA · Nombre de cycles · 1 000 000 (à 25°C)

Énergie · 86 Wh · Dimensions L×l×h · 635 × 176 × 173 mm

Puissance crête · 186 kW · Masse · 16 kg

Document technique DTS8: ibd de l'alimentation électrique de la cabine

Document technique DTS9: capteur de température, pont diviseur et CAN

Thermistance NXRT15XH103:

Résistance à 25°C: $100\text{ k}\Omega \pm 1\%$

Courant max (25°C): $0{,}12\text{ mA}$

Puissance max (25°C): $7{,}5\text{ mW}$

Relation du pont diviseur de tension:

$$U_1 = \frac{U \times R_1}{R_1 + R_2}$$

Conversion analogique numérique (CAN):

$N$ est le nombre entier sur $n$ bits résultat de la conversion.

Le quantum $q$ est la plus petite tension mesurable par le CAN. Il correspond à la tension d'entrée pour laquelle $N = 1$.

Document technique DTS10: fonctions Arduino

pinMode( pin, OUTPUT); · Configure l'entrée « digitale » n° pin en sortie

pinMode( pin, INPUT); · Configure l'entrée « digitale » n° pin en entrée

analogRead( pin); · Lance la conversion analogique numérique et renvoie le résultat sur 10 bits. L'entrée analogique pin peut prendre la valeur A0, A1, A2, A3, A4 ou A5.

digitalWrite( pin, LOW); · Fixe au niveau logique 0 la patte n° pin

digitalWrite( pin, HIGH); · Fixe au niveau logique 1 la patte n° pin

Partie C: Commande et programmation

Question C.3

Le fonctionnement du ventilateur doit répondre au diagramme d'états ci-dessous:

Sur DRS4, compléter le chronogramme de fonctionnement du ventilateur selon la température mesurée:

Pour les besoins de ce sujet, les fonctions de conversion et de traitement de la gestion du ventilateur seront réalisées par le microcontrôleur d'une carte Arduino.

Le capteur de température $R_T$ est une thermistance dont la valeur de la résistance électrique varie en fonction de la température. L'ensemble $R_T$ et $R_1$ forme un pont diviseur de tension. La valeur de la résistance $R_1$ est de $100\text{ k}\Omega$. La tension $V_{CC}$ est de $5\text{ V}$. La tension $U_T$ sera convertie sur l'entrée analogique A1 de la carte Arduino.

Courbe caractéristique de la thermistance (Document technique DTS9):

Question C.4

Déterminer la valeur de la résistance $R_T$ pour une température de $35\text{ }^\circ\text{C}$ et l'exprimer en $\text{k}\Omega$ sur DRS4:

kΩ

Question C.5

Sur DRS4, calculer la valeur de $U_T$ pour une température de $35\text{ }^\circ\text{C}$:

Question C.6

La résolution du CAN est de $10\text{ bits}$ et sa tension de référence $V_{REF}$ est de $5\text{ V}$. Sur DRS4, calculer la valeur du quantum $q$ et la valeur de l'entier $N$, résultat de la conversion pour une température de $35\text{ }^\circ\text{C}$:

Question C.7

Sur DRS5, compléter le câblage des entrées/sorties de la carte Arduino ainsi que les parties manquantes du programme, à partir des informations fournies sur DRS4 et des commentaires du programme.

Document technique DTS10: fonctions Arduino

Fonction

Description

pinMode( pin, OUTPUT);

Configure l'entrée « digitale » n° pin en sortie

pinMode( pin, INPUT);

Configure l'entrée « digitale » n° pin en entrée

analogRead( pin);

Lance la conversion analogique numérique et renvoie le résultat sur 10 bits. L'entrée analogique pin peut prendre la valeur A0, A1, A2, A3, A4 ou A5.

digitalWrite( pin, LOW);

Fixe au niveau logique 0 la patte n° pin

digitalWrite( pin, HIGH);

Fixe au niveau logique 1 la patte n° pin

Raccordement des bornes du schéma à la carte Arduino:

Borne VCC reliée à:

Borne de mesure UT reliée à:

Borne GND reliée à:

Commande CMD VENT reliée à:

Programme Arduino (DRS5) à compléter:

// Régulation thermique supercapacités: Comparaison à 2 seuils

int N; // déclaration d'une variable de type entier sur 16 bits

void setup() // fonction setup() exécutée une fois

{

pinMode ( A1, INPUT); // Entrée CAN mesure UT

pinMode ( 2,

); // DIGITAL 2 configuré en sortie

digitalWrite ( 2, LOW); // état initial: arrêt ventilateur

}

void loop() // boucle infinie

{

N = analogRead(

); // lancement conversion sur A1

if ( N >

) digitalWrite( 2,

); // si temp>35deg CMD_VENT=1

if ( N <

) digitalWrite( 2,

); // si temp<25deg CMD_VENT=0

}

Mise en situation — Problématiques techniques

La supervision du site permet de suivre l'état des équipements et de les piloter à distance en temps réel. Les problèmes techniques sont:

l'impossibilité d'utiliser une transmission de données filaires avec la cabine;

l'étendue du site et le nombre d'équipements techniques à superviser;

les contraintes thermiques de certains composants de la cabine.

Question D.1 — À partir des résultats des trois parties précédentes, conclure sur les solutions retenues pour résoudre les problèmes techniques énoncés dans la mise en situation.