Application de l AMDEC à un satellite en phase active

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1 Application de l AMDEC à un satellite en phase active Myriam Noureddine* Mohamed Amine Messaoudi** Département d Informatique, Faculté des Sciences, Université des Sciences et de la Technologie d Oran (USTO), B.P El-M'Naouer, Oran, Algérie. RÉSUMÉ. Les images acquises par les satellites d observation de la terre constituent une source d information importante pour la connaissance de notre planète et il est donc indispensable de disposer d images fiables et pouvant apporter les informations attendues. Cet article propose l identification des défaillances du système d acquisition d images par satellite. Notre démarche s inscrit dans une double approche PLM (Product Lifecycle management) et Sûreté de Fonctionnement (SdF). Nous identifions les défaillances du satellite à l étape d utilisation, suivant la méthode inductive d Analyse des Modes de Défaillances, de leurs Effets et de leurs Criticité (AMDEC) et en tenant compte des défaillances du capteur, placé en amont du satellite et qui lui fournit l information nécessaire. Les résultats obtenus vont permettre de disposer d informations pour obtenir des images fiables et de qualité. ABSTRACT. The images acquired by the remote sensing satellites are an important information source for knowledge of our planet. Therefore it is essential to have reliable images that can provide the expected information. This article proposes the failure s identification of satellite images acquisition system. Our gait is a dual approach, both PLM (Product Lifecycle Management) and dependability. We identify the satellite failures at the step of use, following the inductive method of Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis (FMECA). We take into account the sensor failures, that located upstream of the satellite and which provides the necessary information. The obtained results allow having information in order to get reliable and high quality images. MOTS-CLÉS : Image satellitaire, satellite, PLM, SdF, défaillance, AMDEC. KEYWORDS: Satellite image, satellite, PLM, dependability, failure, FMECA. CIM 2010, pages 1 à 11

2 2 CIM Introduction Les images acquises par les satellites d observation de la terre constituent une source d information inégalée pour la connaissance, le suivi, la prévision, la gestion des ressources et les activités humaines de notre planète. Il est donc indispensable de disposer d images fiables et pouvant apporter les informations attendues. Cet article présente l identification des défaillances du système d acquisition d images par satellite. Dans une optique PLM (Product Lifecycle management), et sachant qu en général les défaillances sont détectées en phase de développement, nous considérons le satellite comme un produit fini en phase d utilisation. Notre démarche s inscrit dans une démarche de Sûreté de Fonctionnement (SdF) suivant la méthode d Analyse des Modes de Défaillances, de leurs Effets et de leurs Criticité (AMDEC). La deuxième section présente la démarche proposée suivant une approche conjointe PLM et SdF, ainsi que la méthode AMDEC. Nous présentons dans la troisième section l application au système d acquisition des images satellitaires à travers l identification des défaillances du satellite à l exécution en considérant un capteur placé en amont. A la fin, toutes les informations recueillies sont regroupées dans des fiches ou grilles. 2. Approche PLM et SdF pour l acquisition d images satellitaires 2.1. Cadre de l étude : Acquisition d images satellitaires Les images acquises par les satellites d observation de la terre constituent une source d information importante pour la connaissance de notre planète. La télédétection est la technique d'observation à distance par la mesure et le traitement du rayonnement électromagnétique émis ou réfléchi par l'objet étudié dans le but d'en tirer des informations concernant sa nature, ses propriétés et son état. Ainsi, on a quatre «acteurs» principaux (Caloz, 2007): Le rayonnement électromagnétique : c'est le vecteur de l'information relative à l'objet étudié c'est-à-dire le messager. L objet étudié : appelé également cible ou scène. Il réfléchit le rayonnement électromagnétique et émet son propre rayonnement en "greffant" sur lui des informations le concernant. L'observateur : Il représente à la fois les instruments de mesures du rayonnement, les systèmes d'acquisitions et de traitement des données et l'homme qui interprète les informations recueillies.

3 Application de l AMDEC à un satellite en phase active 3 Le milieu perturbateur : l atmosphère et l'environnement qui absorbent, diffusent, réfléchissent partiellement le rayonnement électromagnétique et introduisent ainsi des parasites. Ces éléments permettront de définir la structure du système spatial Démarche proposée : Approche PLM et SdF Une image satellite est soumise à une série de facteurs qui perturbent la réception, la transmission et le traitement et introduisent des erreurs dans l image ce qui influence la qualité finale des résultats. Dans le cadre de la SdF, une entité connaît une défaillance lorsqu elle n est plus en mesure de remplir sa (ou ses) fonction (s) et une défaillance est la cessation de l aptitude d une entité (ou d un dispositif) à accomplir une fonction requise (Villemeur, 1988 ; Zwingelstein, 2009). Le but du PLM est de gérer un produit pendant tout son cycle de vie. Classiquement, un produit (ou système) passe -principalement- par les étapes de spécification, conception, production et utilisation. Nous proposons une démarche (Figure 1) s inscrivant dans une double approche PLM et SdF. Nous nous intéressons aux défaillances du système d acquisition d images par satellite à l étape d utilisation. Nous considérons le satellite comme un produit fini et ses défaillances internes sont ici négligées. Cependant, nous tenons compte des défaillances du capteur, situé en amont du satellite et qui lui fournit l information nécessaire. Spécification Conception Défaillance Production Capteur (Procédé) Utilisation Satellite (Produit) Défaillance Système d acquisition Figure 1. Approche proposée

4 4 CIM Méthode AMDEC L AMDEC tient une place importante en sûreté de fonctionnement car c est une méthode permettant de formaliser un grand nombre de connaissances sur les installations industrielles. La méthode AMDEC (IMdR-SdF, 2001 ; Kelada, 1998 ; Monchy, 2000) est une méthode qualitative et inductive visant à recenser les défaillances (Zwingelstein, 1995), puis à en estimer les risques. Sachant que nous considérons le système d acquisition comme un équipement, nous adoptons l AMDEC moyen. L AMDEC Moyen est vue comme un outil rentrant dans une stratégie d amélioration permanente de la fiabilité et de la disponibilité des équipements (Renson, 2003). La méthode est basée sur quatre étapes séquentielles: la décomposition fonctionnelle, l analyse qualitative, l analyse quantitative et finalement une proposition d actions correctrices. Un rapport d analyse ou grille AMDEC résume le bilan de l'étude de l analyse des défaillances. La description fonctionnelle adoptée est basée sur une décomposition arborescente et hiérarchique de la structure de l équipement. L étape suivante d analyse qualitative consiste à faire une identification des modes de défaillances, de leurs effets et des causes conduisant au dysfonctionnement d un élément du système. Ces trois notions sont liées par la relation suivante : Cause Mode Effet. La troisième étape d analyse quantitative permet le calcul de l indice de criticité C, déduit par le produit des trois indices nominaux F, G et D, représentant respectivement l indice de fréquence d apparition d'une défaillance due à une cause particulière, l indice de gravité des effets de la défaillance et l indice relatif à la possibilité de détecter la défaillance avant qu'elle ne produise l effet. La criticité C calculée permet de recenser les défaillances dont le niveau de criticité est supérieur à un seuil qui varie en fonction de critères de fiabilité (Monchy, 2000). Après le calcul de la criticité C et sa comparaison avec le seuil établi, différentes actions correctrices sont menées qui permettent d améliorer les valeurs des indices précédents et de définir les indices finaux F, G et D sur la même base que l évaluation précédente. La nouvelle criticité C calculée quantifie l amélioration réalisée. 3. Application au système d acquisition d images satellitaires 3.1. Décomposition fonctionnelle La description fonctionnelle adoptée est basée sur une décomposition arborescente à travers les notions de système, sous-systèmes et composants (Villemeur, 1988 ; Zwingelstein, 2009).

5 Application de l AMDEC à un satellite en phase active 5 Suivant la structure du système spatial et la démarche proposée, nous focalisons la décomposition sur la fonction principale d acquisition d images satellitaires. Nous adoptons une décomposition hiérarchique et descendante sur trois niveaux maximum: le niveau 1, formé du système spatial complet, nommé Système d Acquisition et de Traitement des Images Satellitaires (SATIS), le niveau 2, formé de l ensemble de tous les sous-systèmes, le niveau 3, formé de l ensemble des composants de chaque sous-système. Le sous-système d acquisition est composé des deux composants satellite et capteur Analyse qualitative A partir de la décomposition du système d acquisition, nous identifions les défaillances à travers les perturbations d orbite du satellite ainsi que les défaillances du capteur Les perturbations d orbite Le choix d'une orbite est déterminé par l'altitude, l'orientation et la rotation du satellite par rapport à la Terre et les facteurs de dégradation de l orbite agissent sur l orbite, mais aussi sur l altitude du satellite (Kergomard, 2010). Les variations de l orbite ont des conséquences sur les images de télédétection et elles sont à l origine de distorsions géométriques (Figure 3, Kergomard, 2010): roulis du satellite (1), tangage du satellite (2), mouvement de lacet (3), altitude trop élevée (4), vitesse trop rapide (5), augmentation de la vitesse (6). Figure 2. Effets des variations de l orbite d un satellite La détection des défaillances est obtenue en comparant les images obtenues avec des images cartographiques de la zone concernée.

6 6 CIM 2010 Au niveau 3, pour le composant satellite, nous adoptons le mode de défaillance générique mouvement du satellite et le tableau 1 donne les triplets mode, cause, effet obtenus: Mode Cause Effet Mouvement de satellite mouvement de roulis mouvement de tangage mouvement de lacet altitude trop élevée vitesse trop rapide augmentation de vitesse effet roulis effet tangage Effet de lacet effet d altitude trop élevée effet de vitesse trop rapide effet d augmentation de vitesse Tableau 1. Triplets pour le satellite Les défaillances du capteur Le signal traversant le radiomètre «capteur» subit plusieurs transformations. La détection des défaillances est obtenue visuellement. Les principales altérations que le signal est susceptible de subir sont (Caloz et al., 2001 ; Caloz, 2007): l effet panoramique: Le champ de vue étant constant, les pixels s agrandissent à mesure que l angle d incidence augmente. dérive des détecteurs: au fil du temps, les valeurs initiales des détecteurs dérivent. Il apparaît alors sur l image un motif formé de lignes plus sombres ou plus claires appelé lignage. l électronique produit aussi un bruit pouvant s additionner au signal. l optique du radiomètre produit une légère absorption du signal. déformation géométrique du pixel due à la variation de l'angle de visée. le miroir oscillant: à chaque extrémité de son oscillation (lors du changement de sens), subit une variation de sa vitesse angulaire. l effet conjugué du balayage par miroir oscillant et de l avance du satellite produit une ligne en zigzag avec un échantillon variable sur les bords de l image. des valeurs aberrantes peuvent être produites par la saturation des détecteurs lors d une cible trop réfléchissante.

7 Application de l AMDEC à un satellite en phase active 7 On obtient, au niveau 3 pour le composant capteur, les triplets (Tableau 2) mode, cause, effet suivants: augmentation de la taille du pixel lignage sur l image Mode Cause Effet bruit de l électronique augmentation de l angle d incidence vieillissement des barrettes de détecteurs les composants électroniques effet panoramique effet de lignage bruit dans le signal absorption du signal l optique du radiomètre Dégradation du signal déformation mouvement du miroir oscillant saturation d un détecteur variation de l'angle de visée le miroir oscillant cible trop réfléchissante déformation géométrique du pixel balayage en zigzag des valeurs aberrantes Tableau 2. Triplets pour le capteur 3.3. Analyse quantitative et actions correctrices Nous adoptons dans cet article une échelle de valeur estimée de 1 (mineure) à 4 (maximum) pour les trois indices F, G et D, (Tableau 3), empruntée à l évaluation des indices dans le domaine de la maintenance industrielle (Monchy, 2000). Indice / Valeurs F Très rare Faible Occasionnelle Forte G Mineure Moyenne Majeure Catastrophique D Evidente Exploitable Faible Impossible Tableau 3. Evaluation des indices nominaux

8 8 CIM 2010 Après estimation des indices, nous calculons la criticité C pour chaque triplet. Dans cet article et en première estimation, nous fixons le seuil à 10, qui permettra d introduire des actions correctrices et de calculer la nouvelle criticité C, à partir des indices finaux F, G et D. Par exemple, considérons le premier triplet du composant satellite. La valeur estimée des indices (F=2, G=3, D=2) introduit le déclenchement de l action correctrice «faire des corrections géométriques», qui donne ensuite une amélioration de la criticité par la prise en compte des indices finaux. De la même manière, considérons le deuxième triplet du composant capteur. La valeur estimée des indices (F=2, G=4, D=2) introduit le déclenchement d une action correctrice «faire des corrections radiométriques», qui génère aussi une amélioration de la criticité à travers les indices finaux considérés Génération automatique des rapports d analyse Afin de réduire le caractère fastidieux du traitement de données importantes et dans le souci d offrir une aide à la rédaction des rapports d analyse de la méthode AMDEC, nous utilisons un logiciel (Noureddine et al., 2007) développé et dédié à l automatisation de la méthode d Analyse des Modes de Défaillances, de leurs Effets et de leur Criticité. Le logiciel intègre les quatre étapes de la méthode et génère ensuite automatiquement les grilles ou rapports d analyse. Nous appliquons une approche ascendante de génération des défaillances pour chaque triplet à partir du niveau le plus bas. On obtient le rapport d analyse du système d acquisition (Figure 3) suivant les deux composants concernés (satellite et capteur). Figure 3. Grille AMDEC des composants satellite et capteur

9 Application de l AMDEC à un satellite en phase active 9 L approche adoptée permet de définir une organisation hiérarchique des défaillances, suivant les triplets mode, cause, effet à travers deux règles R1 et R2: R1 : le mode de défaillance d un élément, situé au niveau i, est la cause d une défaillance sur l élément situé au niveau supérieur i-1. R2 : l effet d une défaillance d un élément, situé au niveau i, est le mode d une défaillance sur l élément situé au niveau supérieur i-1. Considérons le rapport d analyse du système d acquisition (Figure 4), situé au niveau 2. Figure 4. Grille AMDEC du système d acquisition d images par satellite On a : le mode de défaillance générique mouvement de satellite du niveau 3 (composant satellite) est la cause de défaillance du système d acquisition situé au niveau supérieur 2 (R1). l effet obtenu effet roulis du niveau 3 est le mode de défaillance du système d acquisition (R2). La même démarche de vérification peut être faite sur les autres triplets. 4. Conclusion et perspectives Dans cet article, nous avons proposé une analyse des défaillances d un système d acquisition d images satellitaires. La démarche adoptée s inscrit suivant une double approche PLM et SdF, en appréhendant les défaillances du système

10 10 CIM 2010 d acquisition d images par satellite à l étape d utilisation. Nous avons considéré le satellite comme un produit fini, supposé sans défaillances et nous avons également considéré les défaillances du capteur, situé en amont du satellite et qui lui fournit l information nécessaire. Pour identifier les défaillances, nous avons utilisé l AMDEC, en validant notre démarche par l utilisation d un logiciel dédié, intégrant les étapes de la méthode. Le logiciel génère ensuite automatiquement les rapports d analyse, qui permettent de disposer d informations afin de prévenir les défaillances du satellite. L étude des défaillances des autres sous systèmes est en cours, suivant la même démarche et nous envisageons également la prise en compte des défaillances internes au satellite. En parallèle, nous menons une réflexion sur l estimation de l échelle des indices nominaux et du seuil, suivant une analyse de décision multicritères et une analyse de sensibilité relative à ces indices. A l issue de toute cette étude, le résultat final sera un système d informations regroupant l ensemble des défaillances du système spatial d acquisition et de traitement des images satellitaires. Dans un contexte de capitalisation des connaissances (Bissay et al., 2008) sur les défaillances et de support au système d information (Pernelle, 2009), le développement d un système PLM (Saaksvuori et al., 2008) serait intéressant en particulier par la prise en compte de l historique et de la trace des défaillances. Cette approche contribuera ainsi à la prévention des dysfonctionnements du système spatial, pour obtenir des images fiables et de haute qualité. 5. Références bibliographiques Bissay A., Pernelle P., Lefebvre A., Bouras A., «Démarche d intégration des connaissances au système PLM», 1er Congrès des Innovations Mécaniques CIM 2008, Sousse (Tunisie), pp. 1-16, Avril Caloz R., Bonn F.J., Collet C., Rochon G., «Précis de Télédétection», Traitement numérique d images de télédétection, Presses de l Université du Québec (Canada), Caloz R., «Télédétection Sattelitale», Document de Cours, LaSIG Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse), IMdR-SdF, «Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets (AMDE)», Guide Pédagogique de l Institut pour la Maîtrise des Risques, CP04, Janvier Kelada J., «L AMDEC», Rapport de l Ecole des HEC, Canada, Kergomard C., «La Télédétection Aéro-Spatiale : une introduction», Document de Cours, Ecole Normale Supérieure de Paris, consulté le 22 Février 2010, disponible à Monchy F., «Maintenance méthodes et organisation», Edition Dunod, 2000.

11 Application de l AMDEC à un satellite en phase active 11 Noureddine M., Noureddine R., «Génération automatique de l analyse des défaillances Etude de cas», Séminaire sur les Techniques et le Management de la Maintenance STMM2007, EMP- Bordj-El-Bahri (Algérie), CD-Rom 6 pages, 7-8 Mai Pernelle P., «Les principaux concepts des systèmes PLM», Journée du PLM 2009, Lyon (France), 3 février Renson P., «L apport de l AMDEC en fiabilisation des installations industrielles», 1er Colloque francophone Performances et Nouvelles Technologies en Maintenance PENTOM 2003, Valenciennes (France), CD-Rom 10 pages, Mars Saaksvuori A., Immonen A., «Product Life Management», 3 ème Edition Springer-Verlag, Villemeur A., «Sûreté de fonctionnement des systèmes industriels», Editions Eyrolles, Zwingelstein G., «Diagnostic des défaillances», Editions Hermès, Zwingelstein G., «Sûreté de fonctionnement des systèmes industriels complexes», Techniques de l Ingénieur, S 8 250v2 & S 8 251, 10 Juin 2009.

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