Soutenance de thèse: Contribution à lintégration dune liaison avionique sans fil. Lingénierie système appliquée à une problématique industrielle Par :

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


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



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)


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


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


Définir les missions du système

17


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


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


du système ?


Quels sont les





que le système


Niveaufonctionnel

Niveauopération

nelMission

Fonctions

Constituants


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



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


du système ?


Quels sont les





que le système


Niveaufonctionnel

Niveauopération

nelMission

Fonctions

Constituants


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


Amorce d’une approche organique: Technologies finalement sélectionnées

28

5.2Etat de l’art




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


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

Documents

Soutenance de thèse: Contribution à lintégration dune liaison avionique sans fil. Lingénierie système appliquée à une problématique industrielle Par :