Soutenance de thèse: Contribution à l’intégration d’une liaison avionique sans fil.
L’ingénierie système appliquée à une problématique industrielle
Par :Johanna Berrebi
Directeur de thèse :
Daniel Krob
Laboratoire d’accueil :LIX de l’Ecole Doctorale de Polytechnique
Responsable : Louis GranboulanEntreprise d’accueil : EADS IW
Plan de présentation
2
I. Introduction
II. Approche opérationnelle en phase amont (phase de montage et de préparation) d’un projet de conception d’un système innovant
III. Approche opérationnelle en phase projet de conception d’un système innovant
IV. Approche fonctionnelle en phase projet de conception d’un système innovant
V. Amorce d’une approche organique en phase projet de conception d’un système innovant
VI. Conclusion phase post innovation : l’approche organique en projet et post-projet
Introduction
3
1. Problématiques 2. Motivation 3. Les processus utilisés
I
Introduction: problématique
4
Les capteurs sont très utiles dans un aéronef Les câbles :
Pèsent lourd Prennent de la place Complexifient les installations
Certaines zones sont difficiles à instrumenter Poser de nouveaux capteurs sur un appareil existant
est laborieux
Remplacer les réseaux filaires par des réseaux sans fil est une solution mais représente un défi technologique considérable
Propagation (cage de faraday) Contraintes environnementales sévères,
1.1
Introduction: motivation
5
Objectif technologique : Une meilleure connaissance de l’environnement et de la
santé de l’aéronef Le gain sur le poids.. Le gain en flexibilité. Le gain en malléabilité et en évolutivité. Le gain sur la complexité. Le gain sur la fiabilité
Contribution de la thèse Un véritable état de l’art et une étude de l’existant Des solutions à nos problèmes et des levées de verrous
technologique Un enrichissement de la méthode basée sur les grandes
théories de l’ingénierie système
1.2
Introduction: Les processus utilisés
6
1.3
Procédures Processus Point focal RésultatTechnique Gestion de projet fonctionnel et
techniqueUn produit
innovant qui fonctionne
Marketing Management de l’innovation
Commercial Un produit innovant qui se
vend bien (répond à un besoin)
Systémique Ingénierie système Mission et priorité
Un produit innovant qui fonctionne et
répond à un besoin (se vend bien)
Introduction: mécanisme complet
7
Chapitre 4
Chapitre 5
Production et sélection d’idée
Définir la finalité la valorisation et la motivation du système
Conception technique ou physique
Revalorisation
Si but non atteint
Etat de l’art
Analyse du besoin client Définir les concepts système
Analyser l’environnement
Chapitre 3
Chapitre 2
Définir les missions du système Cartographie
Définir les limites du système
Définition des exigences fonctionnelle
Montage
Etablir l’architecture fonctionnelle Dériver et spécifier les exigences
Sélection d’une ou plusieurs technologies et identification des points faibles
Identifier les critères de sélection des technologies
Conception physique ou technique
Préparation murissement et adaptation des technologies
Systémique Marketing : Technique
1.3
II- Approche opérationnelle en phase amont
8
1. L’idée, la finalité 2. L’état de l’art 3. L’analyse d’un besoin 4. La définition d’un concept système :
II
Approche opérationnelle en phase amont: Une idée, une finalité
9
Constat de la situation : Entre 500 et 2000 capteurs Les capteurs sont utiles à la navigation ou à la maintenance On compte 500 kilomètres de câbles pesant prés de 3 tonnes.
Finalités désirées Connaissance de l’environnement et de la santé de l’aéronef Une réduction du poids Une réduction de la complexité Une augmentation de l’évolutivité Une augmentation de la flexibilité Une augmentation de la fiabilité
Idées proposées les ondes acoustiques Les ondes électromagnétiques radio
2.1 production et sélection d’idée
Définir la finalité la valorisation et la motivation du système
Conception technique
Revalorisation Si but non
atteint
Approche opérationnelle en phase amont: Un état de l’art
10
Retour d’expérience aéronautique
Retour d’expérience non aéronautique GTB et domotique WATTECO, société française spécialisée dans les solutions innovantes de communication dédiées à la
Télésanté Suivi des infrastructures et de l’environnement
Groupe d’étude WAIC : Wireless Avionics Intra-Communications Fly by Wireless (caneus)
2.2
WISE(projet Européen FP6): WIreless SEnsors.
Faire attention à l’architecture de l’aéronefFaire attention à l’avionique
SACER(projet Pole de compétitivité Aerospace Valley) :
Envisager l’UWB technologie la moins gourmande en énergie
SWANSSmart wireless architecture network sensors
(projet EUREKA/MEDEA+)
ZigBee peu énergivoreZigbee est intéressant pour la portée
SWANSensor wireless autonomous network.
Modification de la couche MAC possible pour moduler la consommation énergétique
ASTRALAutonomous System for TRAnsmission WireLess
2.4 est un choix pertinent pour la bande de fréquence utilisée pour l’émission
Approche opérationnelle en phase amont: L’analyse d’un besoin
11
S1 (q1)
Mbasic
M1
S2 (q2)
Sn (qn)
Mbasic
Mbasic
Entrée avion:
Entrée lanceur
Sortie
avion
Sortie
hélico
Sortie lanceu
r
M2
Mn
Entrée
hélico:
Avion •Performance et compétitivité •Cout (allégement de l’avion) : réduction du poids•Simplification du réseau (réduction du temps d’installation) :•Instrumenter des zones difficilement instrumentables :•Apporter un plus sécurité en ajoutant une redondance sans fil (redondance sans fil peu couteuse en poids) •Ajouter du health monitoring : possible grâce à la réduction du poids et a la flexibilité
Hélicoptère •Performance et compétitivité •Cout (allégement de l’hélicoptère) : réduction du poids (secondaire)•Simplification du réseau (réduction du temps d’installation) : (secondaire)•Instrumenter des zones en mouvement : augmentation de la flexibilité
Lanceur •Performance (Faire de la mesure au sol) : évolutivité et malléabilité•Cout : la réduction du poids pour les mesures au sol est secondaire (sauf pour les réseaux non retirés au lancement)•Ajouter du health monitoring : flexibilité
2.3
Analyse du besoin client
Analyse du marché et de la concurrence
Approche opérationnelle en phase amont: La définition d’un concept système :
12
Concept système : vue d’ensemble
2.4
Capteur spécifique + traitement du signal+ émission par antenne+ alimentation
Tous les capteurs émettront un signal au concentrateur le plus
proche
Canal de transmission + antenne de réception
+ concentrateur (sur backbone filaire)
Le signal sera acheminé vers le
concentrateur par un canal de transmission
sans fil selon un protocole donné
Traitement du signal + alarme
Le signal arrive au centre de décision et
active l’alarme ou affiche une information
selon le cas
Analyse du besoin client Définir les concepts système
Définir la finalité la valorisation et la motivation du système
Analyser l’environnement
Approche opérationnelle en phase amont: La définition d’un concept système :
13
Flux physique Flux informationnel Matière Energie Information
Temps stockage accumulation mémorisation Espace transport transport communication Formes transformation transformation traitement
Flux entrant
Flux sortantPhysique Informationnel
Physique Système de transformation physique Système d’observation capteurInformationnel Système d’action effecteur,
actionneurSystème de traitement
d’information
Traitement émission/réception
antenne
Périmètre système
Nœud capteur
Capteur et conditionneme
ntEnergie :
- Réseau interne- Piles/batteries- Harvesting
Traitement émission/réception
antenneBus aéronef
Périmètre système
Nœud concentrateur
Type de transformation
Type de système
Système
2.4
III- Approche opérationnelle en phase projet de conception d’un système innovant
14
1. Définition du système SAHARA
2. Définition des limites du système : périmètre
3. Discussion sur les verrous technologiques
III
Quelle est la mission
du système ?
NiveauOrganico-technique
Quels sont les
éléments constitutifs des sous-
processus identifiés?
Quel sont les (sous)-
processusà mettre en œuvre pour
que le système
remplisse sa mission?
Niveaufonctionnel
Niveauopération
nelMission
Fonctions
Constituants
Hommes Hard et softwar
e
Approche opérationnelle: Définition du système
15
• Voilure, structure aéronef• Train d'atterrissage ou mécanique
en mouvement, ou ensemble arrimés
• Instrumentation banc moteur et environnement moteur
3.1
Une vision applicative: avion, lanceur, hélicoptère
•Applications de télémesure•Applications de suivi des conditions, •Surveillance des ambiances avec des capteurs de hautes et basses cadences
• Instrumentation pales (sondes températures, efforts, Pression)
Approche opérationnelle: Définition du système
16
3.1
SAHARA
Système électriq
ue Système configurat
ion de l’aéronef
Système mécanique
Système propulsion
et auxiliaire
Système conditionnement de l’air
Système hydraulique
Système avioniqu
e
Système ingénieri
e
Système client
Système législatif
Système environnement
al
Système technologiq
ue
Aéronef
Normes aéronautique
s
Normes ITU
Normes sanitaires
Aéronefs
Environnement extérieur
Technologie
disponible
Technologie en
incubation
Operateurs: pilote,
maintenance
Client direct:
systémier équipementi
er
Conception
Certification
Client indirect: compagn
ie aérienne passager
Fabrication
Maintenance
Sahara
Une vision environnementale: les acteurs
Approche opérationnelle: Définition du système
Une mission accomplie pour chaque acteur
Répare les défaillances de l’appareil
Modifie l’appréhension
de son environnement
Donne des informations sur l’environnement
de l’appareil
Donne des informations sur
la santé de l’appareil
Pilote
Equipe de maintenance
Sahara
3.1
Nombre de tentatives <x
Définir les concepts système
Analyser l’environnement
Définir les missions du système
17
Approche opérationnelle: Définition du système
18
Reçois des données physiques qu’il traite et
compare aux normes attendues
Reçois la valeur des informations anormales
Transmet les informations recueillies
Reçois les informations normale RAS
Sahara
Pilote
Normal
Anormal
Transmet les informations recueillies accompagnées
d’un signal d’alarme
Fin
Demande confirmation
Reçois la valeur des informations anormales
Nb alarme>2
Nb alarme<2Modification du
comportement du pilote
3.1Un scenario opérationnel
Approche opérationnelle: Cartographie
19
3.1
Contexte aéronautique (hélicoptère, avion lanceur) entrainant son lot de contraintes (espace confiné etc…)
Besoins: alléger, instrumentaliser, malléabiliser Mission: traiter et transmettre des informations d’un point A à un point BContraintes spécifique: Temps de maintenance et d’installation inferieure ou égale à l’actuel Poids inferieur au câblage actuelNe perturbant pas et ne se laissant pas perturber par l’environnement direct ( avionique) et indirect (radar téléphone etc…)
Système Saharapilote et
Prend des décisions ou
pas en fonction des
informations transmises
Interface
Répare ou pas en fonction des
informations transmises
Interface
Pilote
Maintenance
Récupère des
informations sur son
environnement (stimulus physique)
Interface
Capteur
A B
Environnement des aéronefs
Approche opérationnelle: Définition des limites du système
Un système borné 3.3
Analyser l’environnement
Définir les missions du système
Définir les concepts système
20
Définir les limites du système
Approche opérationnelle: Identification des verrous technologiques
21
Verrous technologiques réels et choix des bornes Robustesse de transmission (tolérance aux
perturbations) et fiabilité Disponibilité de fréquences et compatibilité
électromagnétique Sécurité (intégrité, confidentialité, usurpation) Communication sans fil sous contraintes de
temps réel et d’énergie
3.3
IV- Approche fonctionnelle en phase projet de conception d’un système innovant
22
1. Analyse et conception fonctionnelle : architecture fonctionnelle
2. Analyse et dérivation des exigences de haut niveau
3. Spécification des exigences
IV
Quelle est la mission
du système ?
NiveauOrganico-technique
Quels sont les
éléments constitutifs des sous-
processus identifiés?
Quel sont les (sous)-
processusà mettre en œuvre pour
que le système
remplisse sa mission?
Niveaufonctionnel
Niveauopération
nelMission
Fonctions
Constituants
Hommes Hard et softwar
e
Approche fonctionnelle: Analyse et conception fonctionnelle : architecture fonctionnelle
4.1
23
Briefing marketing à destination de la R&D
Définir les fonctions de service du système et leurs contraintes
Architecture fonctionnelle
Approche fonctionnelle: Analyse et dérivation des exigences de haut niveau
24
Exigence de haut niveau des différentes parties prenantes REQ.HN.1 : Exigence aéronef REQ.HN.2 : Exigence environnement REQ.HN. 3 : Exigence technologie disponible REQ.HN.4 : Exigence technologie en incubation REQ.HN.5 : Exigence maintenance REQ.HN.6 : Exigence certification REQ.HN.7 : Exigence conception REQ.HN.8 : Exigence fabrication REQ.HN.9 : Exigence Client direct REQ.HN.10 : Exigence client indirect REQ.HN.11 : Exigence operateur REQ.HN.12 : Exigence normes ITU REQ.HN.13 : Exigence normes aéronautique REQ.HN.14 : Exigence normes sanitaires
4.2
Définition des exigences fonctionnelle
Analyser l’environnement
Architecture fonctionnelle
Dérivation et spécification des exigences
SAHARA
Système électrique
Système
configuration de
l’aéronef
Système mécaniq
ue Système propulsio
n et auxiliaire
Système conditionnement de l’air
Système hydraulique
Système avioniqu
e
Système ingénierie
Système client
Système législatif
Système environnemental
Système technologique
Aéronef
Normes aéronautiqu
es
Normes ITU
Normes sanitaires
Aéronefs
Environnement extérieur
Technologie
disponible
Technologie en
incubation
Operateurs: pilote,
maintenance
Client direct: systémier
équipementier
Conception
Certification
Client indirect:
compagnie
aérienne passager
Fabrication
Maintenance
Sahara
Approche fonctionnelle: Spécification des exigences
25
Exigences projet Exigences fonctionnelles et organiques
Générales Architecture physique Modes Communication / protocole Liaison RF Mémoire Gestion des pannes et maintenance Energie Dimensions terminaux, routeurs et concentrateurs Matériel Plateformes d’essais et environnement des démonstrateurs.
4.3
V- Amorce d’une approche organique en phase projet de conception d’un système innovant
26
1. Critères de sélection des technologies
2. Technologies finalement sélectionnées
3. Approche organique en phase projet
4. Préparation et adaptation des protocoles sélectionnés
V
Quelle est la mission
du système ?
NiveauOrganico-technique
Quels sont les
éléments constitutifs des sous-
processus identifiés?
Quel sont les (sous)-
processusà mettre en œuvre pour
que le système
remplisse sa mission?
Niveaufonctionnel
Niveauopération
nelMission
Fonctions
Constituants
Hommes Hard et softwar
e
Amorce d’une approche organique: critères de sélection des technologies
27
Critères problématiques
5.1
Débit Déterminisme Délai Energie Tolérance aux pertes
Différenciation de services
Robustesse et Fiabilité
X X X X
Disponibilité Fréquentielle et CEM
X
Sécurité XTemps réel et Energie X X X X X
Critères primaires Critères secondaire Critères tertiaires
Débit Déterminisme Différenciation de
service
Délai Economie d’énergie Tolérance aux pertes /
Robustesse
Volume Masse Packaging
Dériver et spécifier les exigences
Identifier les critères de sélection des technologies
Amorce d’une approche organique: Technologies finalement sélectionnées
28
5.2Etat de l’art
Définition des exigences fonctionnelle
Sélection d’une ou plusieurs technologies et identification des points faibles
Identifier les critères de sélection des technologies
DébitConsommation énergétique
Portée
Déterminisme
Zigbee
802.15.4250 kb/s 20 mA– 40 mA < 30m
-Oui en mono saut.
-Extension possible en multi sauts.
Wifi Low Power 802.11
Plus de 1 Mb/s
jusqu’à 54 Mb/s
Rx: 35 mA
Sleep: 4 A
200m (outdo
or)NON
UWB
1 Mb/s
27Mb/s (802.15.4
a)
<30m NON
Bluetooth 1 Mb/sTx : 24 mA
Rx : 19.6 mA<10 m
Oui en mono saut
Amorce d’une approche organique: Type d’architecture
29
5.3
• Typologie ilot mono technologique• Typologie étoile mono technologique
• Architecture du démonstrateur Sahara • Architecture de recherche
Amorce d’une approche organique: Préparation et adaptation des protocoles
30
5.4
Sélection d’une ou plusieurs technologies et identification des points faibles
Préparation murissement et adaptation des technologies
Etat de l’art
Objectif d’Amélioration
Moyen Innovant Investigué
Débit
Accès au Médium Multi-canal
Concentrateur multi-interfaces homogènes
Déterminisme Accès au médium déterministe en mono-saut
Robustesse aux
perturbations
Accès au Médium Multi-canal
Sélection des meilleurs canaux à utiliser
Consommation d’énergie
Ordonnancement des périodes d’activité et d’inactivité
VI- Conclusion phase post innovation : l’approche organique en projet et post-projet
31
VI
Essais sur le nouveau produit
Essai sur les lignes
Réalisation du produit
Tests
Fabrication et essai du démonstrateur
Outils d’analyse de performance et tenue en environnement
Validation
Planification, Animation, Contrôle
Point d’amélioration
Alimentation adaptée (énergie harvesting ou batteries d’autonomie prolongée.
Choix de modélisation: il n’existe pas qu’une seule solution.
Obsolescence des technologies
Question??
32
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