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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 Granboulan
Entreprise d’accueil : EADS IW
Plan de présentation
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
2
Introduction
I
Problématiques
2. Motivation
3. Les processus utilisés
1.
3
Introduction: problématique
1.1
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,
4
Introduction: motivation
1.2
 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

5
Introduction: Les processus utilisés
1.3
Procédures
Technique
Processus
Gestion de projet
Point focal
fonctionnel et
technique
Marketing
Management de
l’innovation
Commercial
Systémique
Ingénierie système
Mission et
priorité
Résultat
Un produit
innovant qui
fonctionne
Un produit
innovant qui se
vend bien (répond à
un besoin)
Un produit
innovant qui
fonctionne et
répond à un besoin
(se vend bien) 6
Introduction: mécanisme complet
1.3
Systémique
Technique
Marketing :
Chapitre 2
Revalorisation
Si but non
atteint
Définir la finalité la valorisation
et la motivation du système
Définir les concepts système
Production et sélection
d’idée
Etat de l’art
Analyse du besoin client
Analyser l’environnement
Chapitre 3
Définir les missions du système
Chapitre 4
Chapitre 5
Cartographie
Définir les limites du système
Montage
Etablir l’architecture
fonctionnelle
Dériver et spécifier les
exigences
Définition des exigences
fonctionnelle
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
Conception technique ou
physique
7
II- Approche opérationnelle en phase amont
II
L’idée, la finalité
2. L’état de l’art
3. L’analyse d’un besoin
4. La définition d’un concept système :
1.
8
Approche opérationnelle en phase amont:
Une idée, une finalité
2.1
 Constat de la situation :



Revalorisation
Si but non
atteint
Définir la finalité la
valorisation et la
motivation du système
production et
sélection d’idée
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.
Conception technique
 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
9
Approche opérationnelle en phase amont: Un
état de l’art
 Retour d’expérience aéronautique


2.2
WISE
(projet Européen FP6): WIreless SEnsors.
Faire attention à l’architecture de l’aéronef
Faire attention à l’avionique
SACER
(projet Pole de compétitivité Aerospace Valley) :
Envisager l’UWB technologie la moins gourmande en
énergie
SWANS
Smart wireless architecture network sensors (projet
EUREKA/MEDEA+)
ZigBee peu énergivore
Zigbee est intéressant pour la portée
SWAN
Sensor wireless autonomous network.
Modification de la couche MAC possible pour moduler
la consommation énergétique
ASTRAL
Autonomous System for TRAnsmission WireLess
2.4 est un choix pertinent pour la bande de fréquence
utilisée pour l’émission
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
10
 Fly by Wireless (caneus)
Approche opérationnelle en phase amont:
L’analyse d’un besoin
2.3
Analyse du marché et de la
concurrence
Entrée
avion:
M
M1
basic
Sortie
avion
S1 (q1)
Entrée
hélico:
M
basic
S2
Entrée
lanceur
M2
M
Sortie
hélico
(q2)
Mn
basic
Sn (qn)
Sortie
lanceur
Avion
Analyse du besoin client
•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)
11
•Ajouter du health monitoring : flexibilité
Approche opérationnelle en phase amont:
La définition d’un concept système :
2.4
 Concept système : vue d’ensemble
Définir la finalité la valorisation et la
motivation du système
Définir les concepts système
Analyse du besoin client
Analyser l’environnement
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
12
Approche opérationnelle en phase amont:
La définition d’un concept système :
2.4
Type de transformation
Temps
Espace
Formes
Flux physique
Matière
Energie
stockage
accumulation
transport
transport
transformation transformation
Flux informationnel
Information
mémorisation
communication
traitement
Type de système
Flux entrant
Flux sortant
Physique
Physique
Système de transformation physique
Informationnel
Système d’action effecteur,
actionneur
Informationnel
Système d’observation capteur
Système de traitement
d’information
Système
Nœud capteur
Capteur et
conditionnement
Energie :
- Réseau interne
- Piles/batteries
- Harvesting
Traitement
émission/réception
antenne
Périmètre système
Nœud concentrateur
Traitement
émission/réception
antenne
Périmètre système
Bus aéronef
13
III- Approche opérationnelle en phase projet de
conception d’un système innovant
III
Définition du système
SAHARA
2. Définition des limites du
système : périmètre
3. Discussion sur les verrous
technologiques
1.
Quelle est
la mission
du système
?
Quel sont les
(sous)processus
à mettre en
œuvre pour que
le système
remplisse sa
mission?
Mission
Niveau
opérationn
el
Fonctions
Niveau
fonctionnel
Constituants
Quels sont les
éléments
constitutifs
des sousprocessus
identifiés?
Hommes
Hard et
software
Niveau
Organicotechnique
14
Approche opérationnelle:
Définition du système
3.1
 Une vision applicative: avion, lanceur, hélicoptère
•
•
Voilure, structure aéronef
Train d'atterrissage ou
mécanique en mouvement, ou
ensemble arrimés
• Instrumentation banc moteur et
environnement moteur
•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)
15
Approche opérationnelle:
Définition du système
3.1
 Une vision environnementale: les acteurs
Normes
aéronautiques
Normes
sanitaires
Normes ITU
Système
législatif
Operateurs:
pilote,
maintenance
Aéronefs
Système
environnemental
Système
client
Environnement
extérieur
Client direct:
systémier
équipementier
Client
indirect:
compagni
e aérienne
passager
Sahara
Technologie
disponible
Technologie
en
incubation
Conception
Système
technologique
Aéronef
Système
ingénierie
Maintenance
Fabrication
Certification
16
Approche opérationnelle:
Définition du système
3.1
 Une mission accomplie pour chaque acteur
Définir les concepts système
Analyser l’environnement
Modifie
l’appréhension de
son
environnement
Pilote
Nombre de
tentatives <x
Définir les missions du système
Donne des
informations sur
l’environnement de
l’appareil
Donne des
informations sur la
santé de l’appareil
Sahara
Equipe de
maintenance
Répare les
défaillances de
l’appareil
17
Approche opérationnelle:
Définition du système
 Un scenario opérationnel
3.1
Sahara
Reçois des données
physiques qu’il traite et
compare aux normes
attendues
Normal
Anormal
Transmet les informations
recueillies
Transmet les informations
recueillies accompagnées
d’un signal d’alarme
Pilote
Nb alarme>2
Nb alarme<2
Reçois les informations
normale RAS
Reçois la valeur des
informations anormales
Demande
confirmation
Reçois la valeur des
informations anormales
Modification du
comportement du pilote
Fin
18
Approche opérationnelle:
Cartographie
3.1
Environnement des aéronefs
Contexte aéronautique (hélicoptère, avion lanceur) entrainant son lot de
contraintes (espace confiné etc…)
Système Sahara
I
n
t
e
r
f
a
c
e
Capteur
Récupère des
informations
sur son
environnement
(stimulus
physique)
A
Besoins: alléger, instrumentaliser,
malléabiliser
Mission: traiter et transmettre des
informations d’un point A à un point
B
Contraintes spécifique:
Temps de maintenance et
d’installation inferieure ou égale à
l’actuel
Poids inferieur au câblage actuel
Ne perturbant pas et ne se laissant
pas perturber par l’environnement
direct ( avionique) et indirect (radar
téléphone etc…)
B
I
n
t
e
r
f
a
c
e
I
n
t
e
r
f
a
c
e
pilote
Piloteet
Prend des
décisions ou pas
en fonction des
informations
transmises
Maintenance
Répare ou pas en
fonction des
informations
transmises
19
Approche opérationnelle:
Définition des limites du système
3.3
 Un système borné
Définir les concepts système
Analyser l’environnement
Définir les missions du système
Définir les limites du système
20
Approche opérationnelle:
Identification des verrous technologiques
3.3
 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

21
IV- Approche fonctionnelle en phase projet de
conception d’un système innovant
IV
Analyse et conception
fonctionnelle : architecture
fonctionnelle
2. Analyse et dérivation des
exigences de haut niveau
3. Spécification des exigences
1.
Quelle est
la mission
du système
?
Quel sont les
(sous)processus
à mettre en
œuvre pour que
le système
remplisse sa
mission?
Mission
Niveau
opérationn
el
Fonctions
Niveau
fonctionnel
Constituants
Quels sont les
éléments
constitutifs
des sousprocessus
identifiés?
Hommes
Hard et
software
Niveau
Organicotechnique
22
Approche fonctionnelle: Analyse et conception
fonctionnelle : architecture fonctionnelle
Définir les fonctions de
service du système et leurs
contraintes
Briefing marketing à
destination de la R&D
4.1
Architecture fonctionnelle
23
Approche fonctionnelle: Analyse et dérivation des
exigences de haut niveau
4.2
 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
Analyser l’environnement
Architecture fonctionnelle
Définition des
exigences fonctionnelle
Dérivation et spécification
des exigences
Normes
sanitaires
Normes
aéronautiques
Normes
ITU
Système
législatif
Operateurs:
pilote,
maintenance
Aéronefs
Système
environnemental
Système client
Environnement
extérieur
Client direct:
systémier
équipementier
Sahara
Technologie
disponible
Conception
Système
technologique
Technologie
en
incubation
Client
indirect:
compagnie
aérienne
passager
Fabrication
Système
ingénierie
Aéronef
Certification
Maintenance
24
Approche fonctionnelle: Spécification des
exigences
4.3
 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.
25
V- Amorce d’une approche organique en phase
projet de conception d’un système innovant
V
Critères de sélection des
technologies
2. Technologies finalement
sélectionnées
3. Approche organique en
phase projet
4. Préparation et
adaptation des
protocoles sélectionnés
1.
Quelle est
la mission
du système
?
Quel sont les
(sous)processus
à mettre en
œuvre pour que
le système
remplisse sa
mission?
Mission
Niveau
opérationn
el
Fonctions
Niveau
fonctionnel
Constituants
Quels sont les
éléments
constitutifs
des sousprocessus
identifiés?
Hommes
Hard et
software
Niveau
Organicotechnique
26
Amorce d’une approche organique:
critères de sélection des technologies
5.1
Dériver et spécifier les exigences
 Critères problématiques
Robustesse et
Fiabilité
Disponibilité
Fréquentielle et CEM
Sécurité
Temps réel et Energie
Débit
Déterminisme
X
X
Identifier les critères de sélection
des technologies
Délai
Energie
X
X
Tolérance aux
pertes
X
Différenciation
de services
X
X
X
X
X
Critères primaires
Critères secondaire






Débit
Déterminisme
Différenciation de
service
X
Critères tertiaires
Délai

Economie d’énergie 
Tolérance aux pertes / 
Robustesse
Volume
Masse
Packaging
27
Amorce d’une approche organique:
Technologies finalement sélectionnées
5.2
Etat de l’art
Débit
Zigbee
802.15.4
Wifi Low
Power
802.11
Consommation
énergétique
Portée
Déterminis
me
Définition des
exigences fonctionnelle
-Oui en mono
saut.
250 kb/s
Plus de 1
Mb/s
jusqu’à 54
Mb/s
20 mA– 40 mA
< 30m
Rx: 35 mA
200m
(outdoo
r)
NON
<30m
NON
<10 m
Oui en mono
saut
Sleep: 4 A
-Extension
possible en
multi sauts.
Identifier les
critères de
sélection des
technologies
Sélection d’une ou
plusieurs technologies
et identification des
points faibles
1 Mb/s
UWB
Bluetooth
27Mb/s
(802.15.4a)
1 Mb/s
Tx : 24 mA
Rx : 19.6 mA
28
Amorce d’une approche organique:
Type d’architecture
5.3
• Typologie ilot mono technologique
• Typologie étoile mono technologique
• Architecture du démonstrateur Sahara
• Architecture de recherche
29
Amorce d’une approche organique:
Préparation et adaptation des protocoles
5.4
Objectif
d’Amélioration
Moyen Innovant Investigué
Accès au Médium Multi-canal
Etat de l’art
Sélection d’une ou
plusieurs technologies
et identification des
points faibles
Préparation
murissement et
adaptation des
technologies
Débit
Concentrateur multi-interfaces homogènes
Déterminisme
Accès au médium déterministe en mono-saut
Robustesse aux
perturbations
Accès au Médium Multi-canal
Consommation
d’énergie
Sélection des meilleurs canaux à utiliser
Ordonnancement des périodes d’activité et d’inactivité
30
VI- Conclusion phase post innovation :
l’approche organique en projet et post-projet
VI
 Point d’amélioration
Fabrication et essai
du démonstrateur
 Alimentation adaptée (énergie
harvesting ou batteries
d’autonomie prolongée.
Essais sur le
nouveau
produit
Tests
 Choix de modélisation: il n’existe
pas qu’une seule solution.
 Obsolescence des technologies
Essai sur les
lignes
Outils d’analyse de
performance et
tenue en
environnement
Validation
Réalisation
du produit
Planification,
Animation,
Contrôle
31
Question??
32