Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance guidée par les données : Application à la maintenance préventive et curative

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1 Département d Informatique MEMOIRE Présenté par : BENAMEUR Abdelkader Pour obtenir LE DIPLOME DE MAGISTER Spécialité : Informatique Option : Informatique & Automatique Intitulé : Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance guidée par les données : Application à la maintenance préventive et curative Soutenue le : /./2010 à la salle de conférences de la faculté des sciences Devant les membres du jury : Pr B. BELDJILALI, Dr B. ATMANI, Dr G. BELALEM, Dr L. SEKHRI, Professeur, Université d Oran (Président) Maître de Conférences, Université d Oran (Encadreur) Maître de Conférences, Université d Oran (Examinateur) Maître de Conférences, Université d Oran (Examinateur)

2 1 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Dédicace Je dédie ce mémoire tout d abord à mes chers parents pour leur soutien et encouragement, Ainsi que tous les membres de ma famille, mes frères, mes sœurs, mes beaux frères, belles sœurs, mes neveux et mes nièces. Je dédie également ce mémoire à toute ma famille, mes oncles, tantes, cousins et cousines. A mon encadreur pour son soutien et ses conseils. A tous mes amis, et à tous ceux et celles qui me connaissent.

3 2 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Table des matières Introduction générale Chapitre I : La maintenance : concepts et évolutions I.1. Introduction I.2. Notions de base en maintenance I.2.a. Définitions I.2.b. Types de maintenance I.2.c. La fonction maintenance dans l entreprise I.2.c.1. Importance de la fonction maintenance I.2.c.2. Contenue de la fonction maintenance I.2.c.3. Le processus de maintenance I.3. Evolutions de la maintenance I.3.a. Evolutions organisationnelles I.3.a.1. La maintenance décentralisée I.3.a.2. La maintenance centralisée I.3.a.3. L organisation mixte I.3.a.4. La maintenance sous-traitée I.3.a.5. La maintenance distribuée I.3.b. Evolutions technologiques I.3.b.1. Télémaintenance I.3.b.2. E-maintenance I.3.b.3. Plateforme d e-maintenance I.3.c. Evolutions logicielles I.3.c.1. GMAO I.3.c.2. Les TIC I.3.c.3. Les plateformes I.4. Problématique de recherche I.4.a. L apprentissage automatique pour la maintenance I.4.b. Avantages de l approche I.4.c. Challenges de l approche I.5. Conclusion Chapitre II : L apprentissage automatique II.1. Introduction II.2. Extraction de Connaissances à partir de Données II.2.a. Le processus d ECD II.2.a.1. La sélection des données II.2.a.2. Le prétraitement des données II.2.a.3. La transformation des données... 54

4 3 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance II.2.a.4. La fouille de données II.2.a.5. L évaluation et l interprétation II.2.b. L ECD et l Apprentissage Automatique II.2.b.1. L apprentissage inductif supervisé et non supervisé II.2.b.2. L apprentissage automatique et les systèmes experts II.2.b.3. Les tâches à réaliser II.2.c. Formalisme II.3. Les méthodes à base de graphes d induction II.3.a. Quelques méthodes à base de graphes d induction II.3.b. Principe général II.3.c. La méthode SIPINA II.4. Automate cellulaire pour des systèmes d inférence II.4.a. Un système cellulo-symbolique II.4.b. Le principe général d un automate cellulaire II.4.c. Composants du système CASI II.4.c.1. Moteur d inférence cellulaire (CIE) II.4.c.2. Module de génération et d optimisation (COG) II.4.c.3. Module de validation (CV) II.5. Conclusion Chapitre III : L approche d extraction de connaissances III.1.Introduction III.2.Description de l approche III.2.a. La sélection des données III.2.b. Le prétraitement des données III.2.c. La transformation des données III.2.d. La fouille de données III.2.e. L évaluation et l interprétation III.3.La fouille de données cellulaire III.3.a. La notion d automate cellulaire III.3.b. Un échantillon de l ensemble de données III.3.c. Initialisation, optimisation et génération III.3.c.1. Initialisation III.3.c.2. Optimisation III.3.c.3. Génération III.3.d. Inférence III.3.e. Validation III.4.La prédiction des défaillances III.5.Conclusion Chapitre IV : La plateforme M3A IV.1. Introduction IV.2. Objectifs de la plateforme... 6 IV.2.a. Différents objectifs... 6 IV.2.b. Avantages de la plateforme... 7 IV.2.c. Les tâches à réaliser... 7 IV.3. Architecture de la plateforme... 8 IV.3.a. Composants de la plateforme... 8

5 4 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance IV.3.b. Le modèle de données IV.3.c. Implémentation de la plateforme IV.4. Cas d application IV.4.a. Les moteurs d avions à turbine à gaz IV.4.b. La préparation des données IV.4.c. Résultats de la fouille de données IV.5. Conclusion Conclusion et perspectives

6 5 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Table des figures Figure I.1 Modes de fonctionnement d un bien..12 Figure I.2 Types de maintenance 13 Figure I.3 Le contenu de la fonction maintenance.17 Figure I.4 Processus général de maintenance 18 Figure I.5 Maintenance Décentralisée (a), Centralisée (b) et Sous-traitée (c).21 Figure I.6 Intensité du lien entre l unité de maintenance et l entreprise...22 Figure I.7 Schéma générique de la télémaintenance.. 24 Figure I.8 Politique de maintenance corrective..31 Figure II.1 Le processus d ECD.37 Figure II.2 - Schéma général d apprentissage et fonction de classement...43 Figure II.3 Un exemple de graphe d induction...45 Figure II.4 - L'algorithme SIPINA.48 Figure II.5 - Diagramme général du système cellulaire CASI..50 Figure III.1 Illustration de l approche d ECD proposée...54 Figure III.2 Etiquetage des instances. 56 Figure III.3 Une fonction des récompenses des prédictions positives Figure III.4 Diagramme général du système cellulaire CASI avec SIPINA..59 Figure III.5 Un graphe d induction obtenu par la méthode SIPINA..61 Figure III.6 Automate cellulaire pour des systèmes d inférence...62 Figure III.7 Eclatement-Fusion inutile...65 Figure IV.1 Organisation générale de la plateforme M3A...76 Figure IV.2 Le module M3A 77 Figure IV.3 Représentation d un équipement dans le modèle...78 Figure IV.4 Représentation des états. 79 Figure IV.5 Représentation des signaux 79 Figure IV.6 Modèle de données. 80 Figure IV.7 Le modèle MVC Figure IV.8 Plusieurs sources de données.. 82 Figure IV.9 Plusieurs algorithmes d apprentissage...83 Figure IV.10 Diagramme simplifié du moteur simulé.84 Figure IV.11 Evolution du paramètre T30 pour la 69 ème série...86 Figure IV.12 Evolution du paramètre Ps30 pour la 69 ème série.86 Figure IV.13 Evolution du paramètre phi pour la 69 ème série 86 Figure IV.14 Sous-ensemble des règles du modèle.88

7 6 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Liste des tableaux Table II.1 La table Individus x Variables...43 Tableau III.1 Un échantillon de l ensemble de données...60 Tableau III.2 L échantillon après prétraitement...61 Tableau III.3 Configuration initiale de l automate cellulaire...63 Tableau III.4 Les matrices d incidence d entrée/sortie.63 Tableau III.5 Les matrices d incidence d entrée/sortie avant l optimisation...65 Tableau III.6 Les couches CELFACT et CELRULE. 66 Tableau III.7 Les matrices d incidence d entrée/sortie. 66 Tableau III.8 Configuration obtenue avec δ fact..67 Tableau III.9 Configuration obtenue avec δ fact et δ rule...68 Tableau III.10 Configuration finale..68 Tableau III.11 Base de connaissances du graphe de la figure III Tableau III.12 Validation d un individu par automate cellulaire.69 Tableau III.13 Représentation d une nouvelle instance...70 Tableau III.14 Initialisation de l automate cellulaire pour le nouvel individu 70 Tableau III.15 La fin du chainage avant après l établissement d une classe...71 Tableau IV.1 Variable présentes dans l ensemble de données.. 85 Tableau IV.2 Comparaison des résultats...87

8 7 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Introduction générale Depuis son essor, la fonction maintenance n a cessé d évoluer. Elle est passée d un simple service d entretient lié à la production, à une activité à part entière, pour devenir l une des fonctions essentielles de l entreprise moderne qui participe à sa performance globale. Cette évolution s est concrétisée surtout dans l informatisation de sa gestion et l automatisation de plusieurs de ses procédures, grâce à l implantation de différents systèmes, informatiques ou autres, conçus pour ce domaine. Allant de la détection d alarmes à la gestion des parcs des matériels, ces systèmes interviennent tout au long du processus de maintenance, et traitent tous les types d événements survenus tels que les pannes, la gestion des stocks, les interventions de maintenance préventive, la gestion des ressources humaines et matérielles etc. (Rasovska, 2006). Dès lors, chaque problème, intervention, réparation ou action sur un composant est décrit et sauvegardé dans une base de données, ce qui a fait que le volume de données traitées soit, au fil des années, en croissance sans cesse (Devaney, et al., 2005). Ces importantes masses de données, textuelles ou paramétriques (numériques et symboliques), sont collectées pour de nombreuses années, et pour chaque système en exploitation, permettant ainsi de garder trace de toutes les expériences passées. Elles contiennent en effet, des informations implicites sur les équipements et les pannes et les réparations associées, et si ces informations peuvent être rendues explicites, elles peuvent contribuer à améliorer la fonction maintenance (Devaney, et al., 2005). Cependant, dans un grand nombre d organismes, et pour des raisons apparentes, ces données se sont cumulées sans pour autant apporter ce plus, ou même pas d être proprement archivées, alors qu avec une utilisation appropriée, elles peuvent se transformer en une véritable source de connaissances pouvant être extraites et mises en action. Ce cas de figure constitue une bonne base pour l utilisation des techniques d extraction de connaissances (ECD), dont le principe général est l identification de nouvelles connaissances, auparavant implicites, dans de gros volumes de données. Ces techniques combinent des méthodes issues des statistiques, de reconnaissance des formes, d intelligence artificielle et notamment d apprentissage automatique. L apport de ces techniques peut concerner la fonction maintenance à différents niveaux, particulièrement au niveau de l ingénierie (Déchamp, et al., 2004), ce qui constitue l essence de l idée présentée dans ce travail. Cette idée est motivée par le fait que l application de l extraction de connaissances en maintenance aura l aptitude d améliorer sa performance, et donc celle de toute l entreprise. Plus précisément, une optimisation de la gestion des interventions en termes de planning, d ordonnancement et de gestion de ressources peut être obtenue à travers l analyse des pannes répétitives des équipements. Cette approche permet une stratégie de maintenance préventive de nature anticipative, qui permet à un expert de programmer des interventions dans des moments opportuns, au lieu de suivre l une des stratégies adoptées actuellement qui sont réactives, correctives (intervention après la défaillance) ou systématiques.

9 8 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Cette notion d anticipation permet d offrir des opportunités d effectuer des tâches de maintenance dans les arrêts de production par exemple. Ainsi, les connaissances extraites, après avoir été validées, fourniront une aide à la décision permettant de réduire les couts engendrés, d améliorer l efficacité des actions à entreprendre, de réduire l indisponibilité des équipements et le nombre des retards, d accroître la sécurité, et d avoir une compréhension plus approfondie sur plusieurs phénomènes. Cependant, les différents systèmes de maintenance sont de natures différentes (temps réel, transactionnel ), et sont basés sur des modèles variés, ce qui peut obstruer une éventuelle utilisation parallèle de ces données. Néanmoins, ceci est devenu possible grâce à l apparition des nouvelles architectures distribuées et coopératives, permettant l intégration et la communication entre ces systèmes. Ces architectures peuvent être implémentées à l aide des plateformes de maintenance, dont l idée majeure est de proposer des services de maintenance via Internet (Rasovska, 2006). Nous présentons dans ce mémoire la conception d une plateforme d ingénierie de maintenance assistée par apprentissage artificiel automatique. La plateforme permet d intégrer divers systèmes de maintenance, déjà en place, afin d utiliser leurs données pour extraire de nouvelles connaissances exploitables pour améliorer la fonction maintenance. Dans la plateforme sera implémentée notre approche d apprentissage automatique cellulo-symbolique, appliquée dans le cadre général d un processus d'extraction de Connaissances à partir de Données de Maintenance (ECDM). Cette approche permet d utiliser les données historiques acquises durant la maintenance et l exploitation des systèmes complexes pour extraire de nouvelles connaissances. En effet, plusieurs algorithmes de fouille de données existent mais leur application sur des applications réelles est un challenge en elle-même, car plusieurs sous-problèmes doivent être adressés. Récemment, plusieurs travaux ont abordé cet aspect d extraction de connaissances à partir des données de maintenance, ainsi que pour la prédiction des pannes. De notre part, nous désirons pousser cette idée, en adaptant les tâches du processus d extraction de connaissances à cette problématique, et en introduisant particulièrement l approche cellulaire (Atmani, et al., 2007), permettant une gestion optimale des connaissances à travers une modélisation booléenne. Grâce à cette approche, la pris en compte d avantage d informations sera possible, ainsi qu une utilisation multiple et répétitive du processus d ECDM offrant un raisonnement temporel et une exploration plus large de l espace des problèmes.

10 9 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Organisation du mémoire Le mémoire est organisé en quatre chapitres qui peuvent être résumés comme suit : Le Chapitre I est dédié à la fonction maintenance et essaye d introduire les notions fondamentales de ce domaine. Il donne les définitions de base des concepts propres au domaine de la maintenance, et met en évidence les évolutions de cette fonction, afin de positionner notre travail dans les nouvelles tendances. Il expose les évolutions de la maintenance à travers les modes traditionnels et récents de sa gestion, puis à travers ses formes émergentes, en commençant par la télémaintenance, passant par l emaintenance, et en terminant par les plateformes d e-maintenance. Les évolutions logicielles sont aussi mises en évidence. Enfin, il explique la problématique de recherche, et son positionnement par rapport aux recherches dans ce domaine. Le Chapitre II explicite la problématique de l extraction de connaissances et expose sa résolution dans le cadre de l apprentissage automatique. Il donne d abord un aperçu de ce domaine émergeant, en précisant la relation de la fouille de données avec l extraction de connaissances à partir de données, et avec d'autres domaines connexes, tels que l apprentissage automatique, les statistiques ou les bases de données. Il donne aussi un formalisme du problème d extraction de connaissances. Ensuite, il introduit les méthodes symboliques à base de graphe d induction et cite quelques unes de ces méthodes, en particulier la méthode SIPINA utilisée pour démontrer notre approche. Il introduit enfin la notion d automate cellulaire, en fournissant son principe, son intégration avec la méthode SIPINA et les avantages de son utilisation. Le Chapitre III s adresse entièrement à l approche proposée pour l extraction de connaissances à partir des données en maintenance. Il montre les différents aspects rencontrés lors de la préparation des données et l application des techniques de fouille. Puis, il se consacre à la contribution fondamentale du travail, l approche cellulaire, en montrant ses apports par rapport à la représentation des données, l optimisation des graphes et la validation des résultats. Le chapitre sera conclu par l explication de l opération de détection des défaillances par le système cellulaire. Le Chapitre IV présente l architecture de la plateforme développée, et décrit le principe de son fonctionnement. Il définit tout d abord les tâches que la plateforme doit réaliser et les avantages de sa mise en œuvre. Il cite ensuite les composants de la plateforme, et leurs organisations, surtout avec l utilisation des techniques de services web. Le chapitre expose aussi un cas d application concernant les moteurs à turbine à gaz. Il essaye enfin de donner un scénario de fonctionnement, montrant un cas de détection de panne avant qu elle survienne dans le cas des moteurs à turbines à gaz. Finalement, nous concluons ce mémoire en synthétisant les différentes étapes de notre contribution et nous proposons quelques perspectives envisagées pour poursuivre cette recherche.

11 10 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Chapitre I LA MAINTENANCE : CONCEPTS ET EVOLUTIONS I.1. Introduction I.2. Notions de base en maintenance I.2.a. Définitions I.2.b. Types de maintenance I.2.c. La fonction maintenance dans l entreprise I.2.c.1. Importance de la fonction maintenance I.2.c.2. Contenue de la fonction maintenance I.2.c.3. Le processus de maintenance I.3. Evolutions de la maintenance I.3.a. Evolutions organisationnelles I.3.a.1. La maintenance décentralisée I.3.a.2. La maintenance centralisée I.3.a.3. L organisation mixte I.3.a.4. La maintenance sous-traitée I.3.a.5. La maintenance distribuée I.3.b. Evolutions technologiques I.3.b.1. Télémaintenance I.3.b.2. E-maintenance I.3.b.3. Plateforme d e-maintenance I.3.c. Evolutions logicielles I.3.c.1. GMAO I.3.c.2. Les TIC I.3.c.3. Les plateformes I.4. Problématique de recherche I.4.a. L apprentissage automatique pour la maintenance I.4.b. Avantages de l approche I.4.c. Challenges de l approche I.5. Conclusion... 56

12 11 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance I.1. Introduction De nos jours, les contraintes économiques forcent les entreprises à être de plus en plus performantes dans un environnement fortement concurrentiel dicté par les lois du marché. Les entreprises sont alors dans l obligation de produire toujours mieux et aux coûts les plus bas des produits sans défauts, et ceci sans ralentissements, ni arrêts. Pour cela, leurs systèmes de production ne doivent subir qu un nombre minimum de temps d indisponibilité, tels que les arrêts inévitables dus à la production elle-même (changements de production, montées en température, etc.). Cet objectif est l un des buts de la fonction maintenance d une entreprise. Il s agit de maintenir un bien dans un état lui permettant de répondre de façon optimale à sa fonction (Monchy, 2000). La maintenance était, jusqu'à très récemment, considérée comme étant au centre des coûts au sein des entreprises, et a longtemps été éloignée des stratégies industrielles. Mis à part quelques secteurs comme l aéronautique, les raffineries, le nucléaire et l espace, qui ont été obligés de faire face à ce problème depuis longtemps, l industrie des biens ne s est rendue compte, que depuis peu, que la maintenance peut contribuer d une manière significative à la performance globale de l entreprise (Kaffel, 2001). De par son action directe sur les systèmes de production, la maintenance est devenue un levier de performance incontournable qui conditionne les performances d une organisation. Même si les coûts des actions de maintenance ne sont pas négligeables, ceux liés aux arrêts de production ont un impact encore plus fort sur la production, les produits ou les services proposés par l entreprise et donc sur les clients (Seguy, 2008). Depuis quelque temps, la fonction maintenance a connue de nombreuses mutations pour répondre aux nouveaux besoins économiques et techniques. Aujourd hui, elle est largement pénétrée par les technologies de l information et de la communication, avec les nouveaux concepts de télémaintenance et d e-maintenance. Ces nouvelles formes de maintenance tendent à permettre à ses acteurs l'accès distant à l information, et en cas où cette information ne suffira pas à résoudre un problème, ils peuvent bénéficier directement de l'assistance des experts à distance (Seguy, 2008). La mutation vers la notion d e-maintenance, qui est alors l'intersection de différentes composantes, entre dans le but de permettre au personnel d'accéder à distance à des outils intelligents (Marmier, 2007). Parallèlement à ces évolutions technologiques, l organisation de la maintenance a également évolué, et différents modes d organisation du système de maintenance et des ressources qui le composent sont apparus (Seguy, 2008). A travers ce chapitre sont données les définitions des concepts propres au domaine de la maintenance, et sont mises en évidence les évolutions de cette fonction vers des solutions distantes, afin de positionner notre travail dans ces nouvelles tendances. La deuxième section commence par une présentation des concepts et définitions de bases liées à la maintenance. Ensuite, nous citons les différents types de maintenance ainsi que la fonction et processus de maintenance dans l entreprise. La troisième section est consacrée à l évolution de la maintenance, d abord, à travers les modes traditionnels et récents de sa gestion par les entreprises, puis à travers ses formes émergentes, en commençant par la télémaintenance, passant par la e-maintenance, et en terminant par les plateformes d e-maintenance. Les évolutions logicielles sont aussi mises en évidence dans cette section. Enfin, nous exposons dans la quatrième section notre problématique, et son positionnement par rapport aux recherches dans ce domaine.

13 34 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance I.2. Notions de base en maintenance Afin de bien comprendre la suite de ce mémoire, nous rappelons dans cette section les concepts et définitions couramment utilisés dans le domaine de la maintenance, et qui sont en grande partie tirés des normes proposées par l AFNOR (Association Française de Normalisation) 1, et enrichis par des éléments introduits dans la littérature publiée. I.2.a. Définitions Une première définition normative de la maintenance fut donnée par l AFNOR en 1994 (NF X ), puis a été remplacée, depuis 2001, par une nouvelle définition, désormais européenne (NF EN X ), à savoir (AFNOR, 2001) : MAINTENANCE Ensemble de toutes les actions techniques, administratives et de management durant le cycle de vie d un bien, destinées à le maintenir ou à le rétablir dans un état dans lequel il peut accomplir la fonction requise Dans une définition précédente donnée par l AFNOR (NF X ), on évoque que «Bien maintenir, c est assurer ces opérations au coût global optimum». Le rôle de la maintenance est donc de garantir la plus grande disponibilité des équipements, au meilleur rendement, tout en respectant le budget alloué. Un équipement est exprimé ici par le terme bien, qui est un terme plus général correspondant à (AFNOR, 2001) : BIEN Tout élément, composant, mécanisme, sous-système, unité fonctionnelle, équipement ou système qui peut être considéré individuellement Un bien, qui fait l objet principal de tous les travaux liés à la maintenance, présente durant son existence plusieurs types de modes de fonctionnement parmi lesquels: le mode nominal, dégradé et de défaillance. Un bien peut ne posséder qu un seul mode nominal, par contre, il peut posséder plusieurs modes de défaillance Des évènements peuvent survenir et entraîner des conséquences sur ce mode de fonctionnement, provoquant ainsi une intervention de maintenance. Ces événements peuvent être des dégradations ou des défaillances, qui sont définis comme suit (AFNOR, 2001) : DEGRADATION Evolution irréversible d une ou plusieurs caractéristiques d un bien liée au temps, à la durée d utilisation ou à une autre cause externe DEFAILLANCE La cessation de l aptitude d un bien à accomplir une fonction requise À travers le terme de défaillance, il y a la notion d'un évènement anormal survenu à un instant donné, ce qui la diffère de la dégradation, qui est une évolution de l'état. C'est donc dans le temps qu'évolue le fonctionnement du bien. Initialement, il est en 1 L organisme officiel français de normalisation, membre de l'iso, qui édite la collection des normes NF (française), dont la grande majorité sont aujourd'hui des normes NF EN (européennes), ainsi que des normes NF EN ISO (internationales)

14 35 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance mode nominal, durant lequel il remplit sa mission dans les conditions requises par le concepteur et avec les exigences attendues de l exploitant. Ce mode est caractérisé par certains paramètres définis par le concepteur. Avec son exploitation, les performances du bien vont décroitre, provoquant souvent sa mise dans un état dans lequel il ne remplit que partiellement sa mission, ou il la remplit avec des performances moindres. Il est dit alors qu il subit une dégradation, qui marque le début du mode dégradé. Dans ce cas, si cette dégradation est traitée, le fonctionnement normal peut être retrouvé, alors que si elle n est pas maîtrisée au bout d un certain moment, le bien finira par subir une défaillance. Ceci dit qu il y a eu défaillance après dégradation, cependant il peut y avoir des défaillances brusques. A partir de cet instant, le bien sera incapable d accomplir sa mission, et sera en état de panne (AFNOR, 2001) : PANNE Etat d un bien inapte à accomplir une fonction requise, excluant l inaptitude due à la maintenance préventive ou à d autres actions programmées ou à un manque de ressources extérieures La différence entre une défaillance et une panne est qu une défaillance correspond à un événement et une panne à un état. Sur le plan temporel, la défaillance correspond à une date et la panne à une durée comprise entre l instant d'occurrence de la défaillance et celui de la fin de la réparation. Le mode de fonctionnement dégradé et de panne (de défaillance) font partie de l état de fonctionnement anormal. Les différents modes de fonctionnement cités sont présentés dans la figure suivante (Tararykine, 2005) : Paramètre Seuil de dégradation Panne Maintenance Mode dégradé Mode nominal t 1 t 2 t 3 t 4 Figure I.1 Modes de fonctionnement d un bien En revenant à la définition de la maintenance donnée plus haut, deux mots clés se distinguent : maintenir et rétablir. Le premier fait référence à une action préventive, tandis que le deuxième fait référence à une action corrective. De ces deux types d actions découlent les deux principaux types de maintenance : la maintenance préventive et la maintenance corrective. On rencontre aussi d autres types comme la maintenance améliorative, qui seront tous définis dans les paragraphes suivants.

15 36 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance I.2.b. Types de maintenance Les types (appelés parfois stratégies) de maintenance traduisent la manière dont la défaillance est considérée. Le traitement de la défaillance peut être fait principalement de deux manières : la première par intervention avant la défaillance, il s agit alors de la maintenance préventive, et la deuxième par intervention après la défaillance et il s agit de la maintenance corrective. Il existe d autres types qui sont distingués par la norme AFNOR et qui sont révélés par le schéma suivant (Racoceanu, 2006) : MAINTENANCE Défaillance Maintenance Améliorative Maintenance Corrective Maintenance Préventive Maintenance Proactive Echéancier Evolution des paramètres Seuils prédéterminés Evolution et analyse des causes Systématique Prévisionnelle Proactive Palliative Curative Conditionnelle Dépannage Réparation Visite Prédiction Inspection Contrôle Analyse de propagation, causalité Evénement Concepts de maintenance Opérations de maintenance Figure I.2 Types de maintenance Apparue dans les années 1960, la maintenance corrective est la forme de maintenance la plus traditionnelle car elle n intervient qu après l apparition de la défaillance. Elle correspond à une attitude de défense dans l attente d une défaillance fortuite, attitude caractéristique de l entretien traditionnel. Elle se définie comme (AFNOR, 2001) :

16 37 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance MAINTENANCE CORRECTIVE Maintenance exécutée après détection d une panne et destinée à remettre un bien dans un état dans lequel il peut accomplir une fonction requise Elle regroupe l «ensemble des activités réalisées après la défaillance du bien ou la dégradation de sa fonction pour lui permettre d accomplir une fonction requise, au moins provisoirement : ces activités comportent notamment la localisation de la défaillance et son diagnostic, la remise en état avec ou sans modification, le contrôle du bon fonctionnement» (norme AFNOR NF X ). Elle débouche sur deux types d interventions. Le premier est à caractère provisoire type dépannage, parfois sans l interruption du fonctionnement du bien concerné, ce qui correspond à la maintenance palliative. Le deuxième est à caractère définitif type réparation, parfois après dépannage, ce qui correspond à la maintenance curative. La maintenance préventive constitue une évolution des services de la maintenance traditionnelle. Elle a pour but de diminuer les pertes dues aux défaillances, en les prévenant avant qu elles ne surviennent (AFNOR, 2001) : MAINTENANCE PREVENTIVE Maintenance exécutée à des intervalles prédéterminés ou selon des critères prescrits et destinée à réduire la probabilité de défaillance ou la dégradation du fonctionnement d un bien C est une intervention de maintenance prévue, préparée et programmée avant la date probable d apparition de la défaillance. Des visites préventives périodiques permettent de surveiller l état du matériel en service, mais surtout de mettre en mémoire des informations qui permettront de connaître les lois de dégradations et les seuils d admissibilité. Ces visites préventives permettront ainsi d anticiper les défaillances, donc de préparer des interventions préventives. Parmi ses objectifs : Augmenter la durée de vie des matériels Diminuer la probabilité des défaillances en service Diminuer les temps d arrêt en cas de révision ou de panne Prévenir et aussi prévoir les interventions coûteuses de maintenance corrective Permettre de décider la maintenance corrective dans de bonnes conditions Améliorer les conditions de travail du personnel de production Diminuer le budget de maintenance Supprimer les causes d accidents graves Depuis son essor, la maintenance préventive n a cessée d évoluer pour répondre aux exigences des entreprises. Le besoin d accroitre la disponibilité et de maitriser le coût global des équipements, conjointement aux évolutions technologiques, a conduit à distinguer trois sous types de la maintenance préventive : la maintenance préventive systématique, préventive conditionnelle et préventive prévisionnelle (AFNOR, 2001) : MAINTENANCE SYSTEMATIQUE Maintenance préventive exécutée à des intervalles de temps préétablis ou selon un nombre défini d'unités d'usage mais sans contrôle préalable de l'état du bien

17 38 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance D après la norme AFNOR NF X , la maintenance systématique «comprend l ensemble des actions destinées à restaurer, en totalité ou partiellement, la marge de résistance des matériels non défaillants, lorsque ces taches sont décidées en fonction du temps ou de la production, sans considération de l état des matériels à cet instant». Les actions mentionnées sont effectuées à des dates fixes ou suivant une période qui repose sur l âge de l équipement. Cette dernière solution de mesure de la période est plus efficace et moins coûteuse que la première, mais elle est plus difficile à gérer. La maintenance systématique se traduit par deux types d actions (Kaabi-Harrath, 2004) : 1. Des interventions planifiées qui consistent à nettoyer, réparer ou remplacer certains matériels tels que des composants ou sous-ensembles d équipements. 2. Des inspections périodiques, afin de contrôler ces mêmes composants et sousensembles, qui suivent des dispositions réglementaires ou non, et d effectuer des révisions mineures ou majeures d équipements, voire d ateliers entiers. MAINTENANCE CONDITIONNELLE Maintenance préventive basée sur une surveillance du fonctionnement du bien et/ou des paramètres significatifs de ce fonctionnement intégrant les actions qui en découlent. La surveillance du fonctionnement et des paramètres peut être exécutée selon un calendrier, ou à la demande, ou de façon continue La maintenance conditionnelle (en anglais CBM pour Condition-Based Maintenance) est une forme évoluée du préventif, qui fait l objet d une demande croissante dans un grand nombre d applications industrielles. Elle est basée sur l'analyse des mesures de certains paramètres de l'équipement : le niveau et la qualité de l huile, la température, la pression, la tension, l intensité des matériels électriques, les vibrations... etc. L information sur le fonctionnement peut être fournie par des capteurs fixés en permanence à la machine, et la décision d intervention est prise en réaction au franchissement d un seuil détecté par ces capteurs. Elle n implique pas donc la connaissance de la loi de dégradation. La décision d intervention préventive est prise lorsqu il y a évidence expérimentale de défaut imminent, ou approche d un seuil de dégradation prédéterminé (Zemouri, 2003). D après la norme AFNOR NF X , elle «comprend toutes les taches de restauration de matériels ou de composants non défaillants, entreprises en application d une évaluation d état et de la comparaison avec un critère d acceptation préétabli (défaillance potentielle)». Elle est à appliquer sur les équipements critiques qui impliquent des coûts d arrêt de production prohibitifs, et pour les équipements dangereux pouvant mettre en cause la sécurité des personnes et des biens (Kaabi-Harrath, 2004). MAINTENANCE PREVISIONNELLE Maintenance conditionnelle exécutée en suivant les prévisions extrapolées de l'analyse et de l'évaluation des paramètres significatifs de la dégradation du bien La maintenance prévisionnelle découle de la maintenance conditionnelle, à laquelle elle introduit de la prévision. Elle est basée sur le suivi du matériel et sur des analyses périodiques, pour déterminer la tendance de la dégradation et estimer la période d intervention. Elle permet de planifier les interventions (Kaffel, 2001). Cette maintenance répond au besoin de planification des interventions, pour autant que la prévision de l évolution d une dégradation soit réalisable (Kaabi-Harrath, 2004).

18 39 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Les années 1990 ont vu l apparition de la maintenance proactive, une «forme avancée de la maintenance prévisionnelle consistant à déterminer les causes initiales de défaillances à partir de l état de défaillance potentielle» (Kaabi-Harrath, 2004). Elle implique la surveillance et la vérification continues des causes primaires de défaillance (Racoceanu, 2006), et repose sur l exploitation du retour d expérience et sur l analyse approfondie des phénomènes pathologiques à l origine des défaillances. Elle est basée sur la maintenance conditionnelle et prévisionnelle et s enrichit du diagnostic des causes de panne et de défaillances (Monchy, 2000). Le dernier type de maintenance est la maintenance améliorative, qui est exécutée afin d améliorer les fonctions ou la fiabilité d un bien. Elle vise à augmenter la fiabilité, la maintenabilité, la disponibilité et la sécurité d un équipement ou d un sous-ensemble. Ce type de maintenance fait partie des interventions de grande maintenance, avec les travaux de rénovation et de remise à neuf (Seguy, 2008). C est l ensemble des mesures qui, par le biais de l intervention de maintenance, parviennent à améliorer la sûreté de fonctionnement du bien sans changer sa fonction première (Monchy, 2000). I.2.c. La fonction maintenance dans l entreprise Les activités de maintenance, au sens de dépannage d un équipement, ont toujours existé, mais elles étaient au départ peu ou pas formalisées, car elles n étaient pas nécessairement assurées par du personnel spécialisé, ni encadrées par des méthodes spécifiques. De plus, elles consistaient essentiellement à réparer un équipement une fois que celui-ci était défaillant, mais n'intégraient que peu la notion du préventif. La notion formalisée de la maintenance est relativement récente. Elle est apparue avec l automatisation des systèmes de production, les enjeux économiques et industriels croissants, et avec les réglementations strictes pour la protection des individus et de l environnement (Deloux, 2008). C est ainsi que la maintenance est devenue une fonction essentielle de l entreprise, qui a dépassée la seule activité d entretenir un parc de machine pour intervenir dans tout le cycle de l exploitation du système (choix et conception du matériel, mise en service, détermination des plans de maintenance, organisation et logistique des activités de maintenance, suivi de l évolution du système,...). L objectif primordial de la fonction maintenance est donc d optimiser en permanence la disponibilité de l outil de travail, et ainsi, elle participe à la production globale. Elle est alors reconnue comme une activité nécessaire (génératrice de profits) alors que l entretien traditionnel était considéré comme une charge financière. De par son action directe sur les équipements de production, la fonction maintenance est devenue un levier de performance incontournable, car même si les coûts des actions de maintenance ne sont pas négligeables, ceux liés aux arrêts de production ont un impact encore plus fort sur la production, les produits ou services proposés par l entreprise et donc sur les clients (Seguy, 2008). I.2.c.1. Importance de la fonction maintenance Cependant, la maintenance n est pas toujours indispensable, et son importance diffère selon le secteur d activité. La maintenance est inévitable et lourde dans les secteurs où la sécurité est capitale. Inversement, les industries manufacturières à faible valeur ajoutée pourront se satisfaire d un entretien traditionnel et limité :

19 40 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Importance fondamentale : pétrochimie, chimie, nucléaire, transports (aérien, ferroviaire,...) Importance indispensable : entreprises à forte valeur ajoutée, de procès, construction automobile Importance moyenne : industries de constructions diversifiées, coûts d arrêts de production limités, équipements semi automatiques Importance secondaire : entreprises sans production de série, équipements variés Importance faible ou négligeable : entreprise manufacturière, faible valeur ajoutée, forte masse salariale I.2.c.2. Contenue de la fonction maintenance La fonction maintenance peut être présentée comme un ensemble d activités regroupées en deux sous-ensembles : les activités à dominante technique et les activités à dominante gestion comme dans la figure ci-dessous (Kaffel, 2001) : Le dépannage et la remise en route Le diagnostic La prévention Activités à dominance technique La maintenance La réparation Les études et méthodes La gestion de l information et de la documentation Activités à dominance gestion La gestion des budgets La gestion des ressources humaines La gestion des interventions La gestion des parcs et des pièces Figure I.3 Le contenu de la fonction maintenance Les activités relatives à l aspect technique représentent les tâches industrielles d entretien qui sont souvent englobées dans la supervision notamment lorsqu il s agit de traiter des systèmes complexes. Les activités à dominante gestion représentent les tâches de gestion du parc d équipements, les différentes ressources, la documentation etc., et d organisation des activités correspondantes (Kaffel, 2001).

20 41 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance I.2.c.3. Le processus de maintenance Tout comme les activités de production, les activités de maintenance sont structurées. La succession de ces activités se déroule dans le milieu de la production et doit en tenir compte, d où un lien entre ces deux fonctions peut s'avérer indispensable dans certaine structures. Afin de garantir une efficacité et donc minimiser les pertes de disponibilité, l enchaînement des tâches à effectuer au cours d'une intervention de maintenance est défini dans le processus de maintenance. Dans (Rasovska, 2006) les différentes activités de maintenance sont modélisées suivant le type de maintenance. Un processus de maintenance valide pour tous types de maintenance est présenté comme une suite logique et récurrente d opérations techniques et de gestion, que nous reprenons son schéma dans la figure suivante (Rasovska, 2006) : Requête interne Validation Lancement Planification Prise en compte Requête externe Correction Expertise Diagnostic Rétablissement d équipement Restitution Contrôle Intervention Approvisionne ment Figure I.4 Processus général de maintenance La première étape est une demande représentant la formulation du besoin du client envers le prestataire de service de maintenance. Il s agit par exemple de la demande de réalisation de la maintenance préventive ou corrective ainsi que la demande pointue exprimée comme la maintenance améliorative. Le déclenchement est la signalisation, souvent automatique de la panne, impliquant une requête dite demande d'intervention. Elle peut être déclenchée en externe par le client pour une intervention de maintenance corrective, ou en interne par un opérateur de maintenance qui signale un problème après un contrôle ou une intervention. La requête peut être également déclenchée par les programmes de gestion de maintenance, comme le cas de la maintenance préventive, ou encore par les capteurs ou le système de surveillance. Une phase de préparation apparaît dans certains types de maintenance, consistant en une étude première de l équipement (maintenance préventive et proactive), ou une étude spécifique en vue de la proposition d amélioration du fonctionnement (maintenance améliorative). Elle permet d'avoir la stratégie de maintenance la mieux adaptée à l'équipement voir de pouvoir améliorer son fonctionnement ou sa disponibilité.

21 42 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance La demande d intervention, est corrigée et validée puis renvoyée au client qui exprime les disponibilités ou l accord pour les dates d intervention proposées. Suivant la disponibilité de l opérateur possédant les compétences requises par le type d intervention et celle de l'équipement (planning de production) se fait la planification et le lancement consécutifs de l intervention. Les dates d exécution sont complétées dans la demande d intervention, qui sera ensuite transmise à l opérateur en tant qu ordre de travail. Dans l ordre de travail sont mentionnés aussi les outils et les pièces de rechanges nécessaires pour l intervention, impliquant parfois des commandes auprès des fournisseurs, et l ordonnancement se fait donc suivant les délais de l approvisionnement. La prise en compte de l'intervention dans les données de maintenance (par exemple le temps de la réparation) est importante pour la mise à jour des indicateurs du suivi pour la gestion de la maintenance et pour l'exploitation du retour d'expérience. Le diagnostic et l'expertise de la panne concernent la localisation, l'identification de la cause de celle-ci et les actions à mettre en œuvre. Cette phase est présente dans la maintenance corrective et proactive. L'approvisionnement en outils et pièces de rechanges est dans certains cas à réaliser à nouveau, suite du manque d informations par exemple, ou à l'identification d'un nouveau besoin. L'intervention est composée de l'activité de maintenance sur l'équipement (réparation, entretien, amélioration ), mais elle consiste aussi, pour l'opérateur, à remplir un rapport d'intervention. Celui-ci est nécessaire pour l'exploitation de retour d'expérience et le suivi des activités de maintenance. Le contrôle et la restitution de l'équipement sont réalisés conjointement par l'opérateur de maintenance et le client. Au cours de cette étape, ils vérifient le bon fonctionnement de l'équipement. Après avoir introduit, dans la partie précédente, la fonction maintenance, à travers quelques définitions, les types de maintenance et le processus de maintenance, nous allons voir durant la partie suivante ses évolutions, et les nouvelles avancées dans le domaine suivant les trois axes organisationnel, technologique et logiciel. I.3. Evolutions de la maintenance Depuis quelques années, la fonction maintenance a subi de fortes évolutions pour répondre aux besoins économiques et techniques, consolidant ainsi son rôle dans le fonctionnement des entreprises. Aujourd hui, elle est largement pénétrée par les TIC (Technologies de l Information et de la Communication) avec les nouveaux concepts de télémaintenance ou ceux d e-maintenance. Ces nouvelles formes de maintenance tendent à permettre au personnel l'accès distant aux informations. Néanmoins, si ces informations ne suffisent pas à résoudre un problème, il devient possible de bénéficier directement de l'assistance des experts à distance (Seguy, 2008). La mutation vers la notion d e-maintenance, qui est alors l'intersection de différentes composantes, entre dans le but de permettre au personnel d'accéder à distance à des outils intelligents (Marmier, 2007). Parallèlement aux évolutions technologiques, l organisation spatiale de la maintenance a également évolué, et différentes organisations du système de maintenance et des ressources qui le composent sont apparues (Seguy, 2008).

22 43 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Nous précisons dans ce qui suit les évolutions qu a subies la maintenance récemment, tant sur le plan technologique et logiciel, qu organisationnel. Nous nous intéressons dans un premier temps à l organisation de la maintenance au sein des entreprises, que nous montrons les principaux modèles organisationnels dans les paragraphes suivants. I.3.a. Evolutions organisationnelles Le mode d organisation de la maintenance désigne la manière de sa prise en charge par l entreprise et/ou par des unités extérieures. L entreprise peut prendre en charge toute la fonction maintenance, ou elle peut la confiée partiellement ou entièrement à une unité extérieure, qui peut être une entreprise spécialisée en maintenance, une autre entreprise ou le fabriquant d équipement lui-même. Les équipements peuvent être en location, et si la maintenance n'est pas prise en charge par l'entreprise utilisatrice, elle peut être sous-traitée de la même façon. Diverses organisations sont rencontrées que nous décrivons brièvement les principales d entre elles dans les paragraphes suivants, en commençant par les architectures traditionnelles et en allant vers les structures de plus en plus évoluées (Marmier, 2007) (Tararykine, 2005). I.3.a.1. La maintenance décentralisée Dans ce premier mode d'organisation, une partie de la maintenance, dite maintenance rapprochée ou de plateforme, est réalisée par le service de production, d exploitation, et que l'autre est réalisée par le service de maintenance (Figure I.5.a). Le personnel du service de production, effectue donc les diagnostics, passe les commandes, supervise les travaux de maintenance (remise en état) et participe aux améliorations. Dans une telle organisation, la maintenance et la production sont situées au même endroit. Parmi les avantages de ce type d'organisation est qu il permet principalement de maîtriser le processus de dégradation, une diminution des micro-défaillances ainsi qu'une bonne prévention étant donné que le personnel de production est en contact régulier avec les équipements. Par contre la maîtrise technique étant répartie entre les services de production et de maintenance, il y a des risques de redondance d où la nécessité de procédures de coordination pour éviter une redondance des interventions. I.3.a.2. La maintenance centralisée C est la forme la plus commune d'organisation (Figure I.5.b), qui est incontournable quand la main-d œuvre de production ne peut faire de l auto-maintenance, en présence de hautes technicités des équipements, de fortes contraintes de sécurité...etc. Dans ce cas, le service maintenance est distinct de la production, et regroupe tous les services techniques. Cette organisation comprend un service méthodes chargé de l ordonnancement des travaux, de leur préparation ou encore des équipes techniques d intervention. Elle permet une maîtrise de la fonction et maîtrise technique ainsi qu une optimisation des efforts, cependant elle est parfois cloisonnée et éloignée des préoccupations de la production. Un système de maintenance centralisé peut gérer les activités de maintenance dans un contexte multi-sites, grâce à la mise en place d un atelier de maintenance mobile, dans lequel l'atelier mobile effectue les inspections et les remplacements, tandis que l'atelier de maintenance central gère les réparations des équipements sur les différents sites ainsi que la maintenance préventive.

23 44 Conception d une plateforme d ingénierie de maintenance Production Maintenance de Plateforme Production Maintenance Centrale (a) Maintenance (b) Sous-traitants Sous-traitants Sous-traitants Sous-traitants Sous-traitants Sous-traitants Production EGM (c) Sous-traitants Sous-traitants Sous-traitants Figure I.5 Maintenance Décentralisée (a), Centralisée (b) et Sous-traitée (c) I.3.a.3. L organisation mixte L'organisation mixte tend de bénéficier des avantages des deux systèmes précédents. Elle implique que la maintenance de plateforme soit étroitement intégrée à la conduite du processus. Tandis que le service de production gère la partie logistique, celui de la maintenance assure les activités courantes de maintenance. Parmi ses avantages, la bonne répartition des compétences, la maitrise du processus de vieillissement, la préservation du savoir et la maitrise technique. Par contre, elle impose à tout le personnel une bonne connaissance technique des équipements, où les opérateurs doivent être capables d'assurer des opérations techniques ou encore de trouver et de disposer des informations nécessaires à la réalisation de tâches de maintenance. I.3.a.4. La maintenance sous-traitée Si l'organisation de l'activité de maintenance peut être décentralisée, centralisée ou mixte, l entreprise peut, par contre, décider de la gérer en interne, la confier à des sous-traitants ou la gérer de manière distribuée. Cette dernière solution fait référence à la maintenance distribuée, présentée dans le paragraphe suivant. Quand au recours, totale ou partielle, à la sous-traitance, certaines entreprises optent pour ce choix avec des obligations des résultats. L Entreprise Générale de Maintenance (EGM) peut à son tour sous-traiter certaines activités (Figure I.5.c). L'intérêt d'une sous-traitance totale réside dans la diminution du nombre d'interfaces que rencontre l'entreprise, ce qui peut apporter des gains importants. De plus, le personnel d'un service de maintenance externe pose un regard neuf et n'a pas d'habitudes dues à l'historique de l'entreprise. Il sera responsable de la détection des dysfonctionnements, de la mise en place de la maintenance préventive et de l'appel aux sous-traitants. L'inconvénient majeur est le risque de perdre la maîtrise d'une certaine technique au profit des sous-traitants.