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

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1 Soutenance de thèse: Contribution à lintégration dune liaison avionique sans fil. Lingénierie système appliquée à une problématique industrielle Par : Johanna Berrebi Directeur de thèse : Daniel Krob Laboratoire daccueil : LIX de lEcole Doctorale de Polytechnique Responsable : Louis Granboulan Entreprise daccueil : EADS IW

2 Plan de présentation 2 I. Introduction II. Approche opérationnelle en phase amont (phase de montage et de préparation) dun projet de conception dun système innovant III. Approche opérationnelle en phase projet de conception dun système innovant IV. Approche fonctionnelle en phase projet de conception dun système innovant V. Amorce dune approche organique en phase projet de conception dun système innovant VI. Conclusion phase post innovation : lapproche organique en projet et post-projet

3 Introduction 3 1. Problématiques 2. Motivation 3. Les processus utilisés I

4 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

5 Introduction: motivation 5 Objectif technologique : Une meilleure connaissance de lenvironnement et de la santé de laéronef 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 lart et une étude de lexistant Des solutions à nos problèmes et des levées de verrous technologique Un enrichissement de la méthode basée sur les grandes théories de lingénierie système 1.2

6 Introduction: Les processus utilisés ProcéduresProcessusPoint focalRésultat TechniqueGestion de projet fonctionnel et technique Un produit innovant qui fonctionne Marketing Management de linnovation Commercial Un produit innovant qui se vend bien (répond à un besoin) SystémiqueIngénierie systèmeMission et priorité Un produit innovant qui fonctionne et répond à un besoin (se vend bien)

7 Introduction: mécanisme complet 7 Chapitre 4 Chapitre 5 Production et sélection didée Définir la finalité la valorisation et la motivation du système Conception technique ou physique Revalorisation Si but non atteint Etat de lart Analyse du besoin client Définir les concepts système Analyser lenvironnement Chapitre 3 Chapitre 2 Définir les missions du système Cartographie Définir les limites du système Définition des exigences fonctionnelle Montage Etablir larchitecture fonctionnelle Dériver et spécifier les exigences Sélection dune 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

8 II- Approche opérationnelle en phase amont 8 1. Lidée, la finalité 2. Létat de lart 3. Lanalyse dun besoin 4. La définition dun concept système : II

9 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 lenvironnement et de la santé de laéronef Une réduction du poids Une réduction de la complexité Une augmentation de lévolutivité Une augmentation de la flexibilité Une augmentation de la fiabilité Idées proposées les ondes acoustiques Les ondes électromagnétiques radio 2.1 production et sélection didée Définir la finalité la valorisation et la motivation du système Conception technique Revalorisation Si but non atteint

10 Approche opérationnelle en phase amont: Un état de lart 10 Retour dexpérience aéronautique Retour dexpérience non aéronautique GTB et domotique WATTECO, société française spécialisée dans les solutions innovantes de communication dédiées à la Télésanté Suivi des infrastructures et de lenvironnement Groupe détude WAIC : Wireless Avionics Intra-Communications Fly by Wireless (caneus) 2.2 WISE (projet Européen FP6): WIreless SEnsors. Faire attention à larchitecture de laéronef Faire attention à lavionique SACER (projet Pole de compétitivité Aerospace Valley) : Envisager lUWB 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 lémission

11 Approche opérationnelle en phase amont: Lanalyse dun besoin 11 S1 (q1) M basic M1 S2 (q2) Sn (qn) M basic M basic Entrée avion: Entrée lanceur Sortie avion Sortie hélico Sortie lanceur M2 Mn Entrée hélico: Avion Performance et compétitivité Cout (allégement de lavion) : réduction du poids Simplification du réseau (réduction du temps dinstallation) : 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 lhélicoptère) : réduction du poids (secondaire) Simplification du réseau (réduction du temps dinstallation) : (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

12 Approche opérationnelle en phase amont: La définition dun concept système : 12 Concept système : vue densemble 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 lalarme 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 lenvironnement

13 Approche opérationnelle en phase amont: La définition dun concept système : 13 Flux physiqueFlux informationnel MatièreEnergieInformation Tempsstockageaccumulationmémorisation Espacetransport communication Formestransformation traitement Flux entrant Flux sortant PhysiqueInformationnel PhysiqueSystème de transformation physiqueSystème dobservation capteur InformationnelSystème daction effecteur, actionneur Système de traitement dinformation Traitement émission/réception antenne Périmètre système Nœud capteur Capteur et conditionnement Energie : - Réseau interne - Piles/batteries - Harvesting Traitement émission/réception antenne Bus aéronef Périmètre système Nœud concentrateur Type de transformation Type de système Système 2.4

14 III- Approche opérationnelle en phase projet de conception dun système innovant Définition du système SAHARA 2. Définition des limites du système : périmètre 3. Discussion sur les verrous technologiques III Quelle est la mission du système ? Niveau Organico- technique Niveau Organico- technique Quels sont les éléments constitutifs des sous- processus identifiés? Quels sont les éléments constitutifs des sous- processus identifiés? Quel sont les (sous)- processus à mettre en œuvre pour que le système remplisse sa mission? Quel sont les (sous)- processus à mettre en œuvre pour que le système remplisse sa mission? Niveau fonctionnel Niveau fonctionnel Niveau opérationn el Niveau opérationn el Mission Fonctions Constituants Hommes Hard et software

15 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 Approche opérationnelle: Définition du système Système ingénierie Système client Système législatif Système environnemental Système technologique Aéronef Normes aéronautiques Normes ITU Normes sanitaires Aéronefs Environnement extérieur Technologie disponible Technologie en incubation Operateurs: pilote, maintenance Client direct: systémier équipementier Conception Certification Client indirect: compagni e aérienne passager Fabrication Maintenance Sahara Une vision environnementale: les acteurs

17 Approche opérationnelle: Définition du système Une mission accomplie pour chaque acteur Répare les défaillances de lappareil Modifie lappréhension de son environnement Donne des informations sur lenvironnement de lappareil Donne des informations sur la santé de lappareil Pilote Equipe de maintenance Sahara 3.1 Nombre de tentatives

18 Approche opérationnelle: Définition du système 18 Reçois des données physiques quil 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 dun signal dalarme Fin Demande confirmation Reçois la valeur des informations anormales Nb alarme>2 Nb alarme<2 Modification du comportement du pilote 3.1 Un scenario opérationnel

19 Approche opérationnelle: Cartographie Contexte aéronautique (hélicoptère, avion lanceur) entrainant son lot de contraintes (espace confiné etc…) Besoins: alléger, instrumentaliser, malléabiliser Mission: traiter et transmettre des informations dun point A à un point B Contraintes spécifique: Temps de maintenance et dinstallation inferieure ou égale à lactuel Poids inferieur au câblage actuel Ne perturbant pas et ne se laissant pas perturber par lenvironnement direct ( avionique) et indirect (radar téléphone etc…) Système Sahara pilote et Prend des décisions ou pas en fonction des informations transmises InterfaceInterface Répare ou pas en fonction des informations transmises InterfaceInterface Pilote Maintenance Récupère des informations sur son environnement (stimulus physique ) InterfaceInterface InterfaceInterface Capteur AB Environnement des aéronefs

20 Approche opérationnelle: Définition des limites du système Un système borné 3.3 Analyser lenvironnement Définir les missions du système Définir les concepts système 20 Définir les limites du système

21 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 dénergie 3.3

22 IV- Approche fonctionnelle en phase projet de conception dun système innovant 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 ? Niveau Organico- technique Niveau Organico- technique Quels sont les éléments constitutifs des sous- processus identifiés? Quels sont les éléments constitutifs des sous- processus identifiés? Quel sont les (sous)- processus à mettre en œuvre pour que le système remplisse sa mission? Quel sont les (sous)- processus à mettre en œuvre pour que le système remplisse sa mission? Niveau fonctionnel Niveau fonctionnel Niveau opérationn el Niveau opérationn el Mission Fonctions Constituants Hommes Hard et software

23 Approche fonctionnelle: Analyse et conception fonctionnelle : architecture fonctionnelle Briefing marketing à destination de la R&D Définir les fonctions de service du système et leurs contraintes Architecture fonctionnelle

24 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 lenvironnement Architecture fonctionnelle Dérivation et spécification des exigences Système ingénierie Système client Système législatif Système environnemental Système technologique Aéronef Normes aéronautiques 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

25 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 dessais et environnement des démonstrateurs. 4.3

26 V- Amorce dune approche organique en phase projet de conception dun système innovant 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 ? Niveau Organico- technique Niveau Organico- technique Quels sont les éléments constitutifs des sous- processus identifiés? Quels sont les éléments constitutifs des sous- processus identifiés? Quel sont les (sous)- processus à mettre en œuvre pour que le système remplisse sa mission? Quel sont les (sous)- processus à mettre en œuvre pour que le système remplisse sa mission? Niveau fonctionnel Niveau fonctionnel Niveau opérationn el Niveau opérationn el Mission Fonctions Constituants Hommes Hard et software

27 Amorce dune approche organique: critères de sélection des technologies 27 Critères problématiques 5.1 DébitDéterminismeDélaiEnergie Tolérance aux pertes Différenciation de services Robustesse et Fiabilité XXXX Disponibilité Fréquentielle et CEM X SécuritéX Temps réel et EnergieXXXXX Critères primairesCritères secondaireCritères tertiaires Débit Déterminisme Différenciation de service Délai Economie dénergie Tolérance aux pertes / Robustesse Volume Masse Packaging Dériver et spécifier les exigences Identifier les critères de sélection des technologies

28 Amorce dune approche organique: Technologies finalement sélectionnées Etat de lart Définition des exigences fonctionnelle Sélection dune ou plusieurs technologies et identification des points faibles Identifier les critères de sélection des technologies Débit Consommation énergétique Portée Déterminis me Zigbee kb/s20 mA– 40 mA< 30m -Oui en mono saut. -Extension possible en multi sauts. Wifi Low Power Plus de 1 Mb/s jusquà 54 Mb/s Rx: 35 mA Sleep: 4 A 200m (outdoo r) NON UWB 1 Mb/s 27Mb/s ( a) <30mNON Bluetooth1 Mb/s Tx : 24 mA Rx : 19.6 mA <10 m Oui en mono saut

29 Amorce dune approche organique: Type darchitecture Typologie ilot mono technologique Typologie étoile mono technologique Architecture du démonstrateur Sahara Architecture de recherche

30 Amorce dune approche organique: Préparation et adaptation des protocoles Sélection dune ou plusieurs technologies et identification des points faibles Préparation murissement et adaptation des technologies Etat de lart

31 VI- Conclusion phase post innovation : lapproche 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 danalyse de performance et tenue en environnement Validation Planification, Animation, Contrôle Point damélioration Alimentation adaptée (énergie harvesting ou batteries dautonomie prolongée. Choix de modélisation: il nexiste pas quune seule solution. Obsolescence des technologies

32 Question?? 32


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