Cours 01 - Fiches Synthèses - Analyse Structurelle des Systèmes Complexes

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1 Fiche 01 - Démarche Ingénieur en CPGE MPSI/MP Un système complexe pluri-technologique remplit une fonction globale qui est directement liée à un (ou plusieurs) besoin(s) d un client utilisateur. Ce système est constitué d un ensemble d éléments (sous-systèmes ou composants) inter-reliés qui interagissent les uns avec les autres d une manière organisée pour accomplir une finalité commune. Ces éléments (soussystèmes ou composants) peuvent être nombreux et les interactions de formes différentes (échange de matière, d énergies ou d informations). Elément environnant SYSTEME Sous-système Elément environnant Elément environnant Composant Sous-système MILIEU ENVIRONNANT (1) En MPSI/MP seulement une partie du cycle en V d un système est abordée (zone encadrée en pointillés). La démarche ingénieur simplifiée de CPGE permettra de déterminer les performances attendues, les performances simulées et les performances mesurées d un système puis d évaluer les écarts pouvant exister entre ces performances. Remarque importante : La caractérisation des écarts 1, 2 et 3 s inscrit dans une démarche formative purement pédagogique, la réalité industrielle est généralement bien plus complexe. La formation en Sciences Industrielles pour l Ingénieur en CPGE MPSI/MP consiste à analyser ces systèmes complexes pluri-technologiques, modéliser ces systèmes, résoudre pour déterminer les performances de ces systèmes, expérimenter ces systèmes, concevoir ces systèmes, tout en utilisant les outils adaptés pour communiquer. Définition du besoin et étude de faisabilité Définition des exigences Conception de l architecture fonctionnelle Processus de conception Conception de l architecture organique Système souhaité Système en utilisation Système simulé Démarche ingénieur abordée en MPSI/MP (1) attendues Ecart 1 mesurées Ecart 3 Ecart 2 Simulées Réception Fabrication - réutilisation - achats Processus de réalisation Domaine du commanditaire Domaine du laboratoire Domaine de simulation Système livré Validation du système Vérification de l intégration Processus Assemblage d intégration attendues Ecart 1 mesurées Ecart 2 simulées Utilisation Maintenance Recyclage Destruction Activités de TP (MPSI) Ecart 3 Activités de TP ou de TD Activités de TP (MPSI) Florestan MATHURIN Page 1 sur 7

2 (2) Grâce à internet, et en particulier au «Cloud», tous les documents peuvent maintenant être partagés en temps réel avec tous les collaborateurs, y compris ceux situés de l autre côté de la planète. (3) Airbus, Thalès, Alstom, (4) Appelés diagrammes. (5) Même si le passage reste encore complexe, les logiciels de modélisation SysML deviennent de plus en plus couplés à d autres logiciels permettant de réaliser de la simulation multiphysique, il est ainsi possible d anticiper la façon dont va se comporter un système avant même d avoir réalisé un premier prototype. Le travail des différents acteurs intervenant lors des étapes du cycle en V d un système est collaboratif (2). Cela signifie que chaque acteur travaillant sur le projet doit en permanence être informés et tenir compte des évolutions initiées par d autres. Dans ce contexte il est indispensable qu ils utilisent tous un langage unique compréhensible par tous les métiers (publicitaires, concepteurs, sous-traitants ). Une des solutions vers laquelle se tournent certaines entreprises (3) est le langage SysML issue de l Ingénierie Système. Ce langage a l avantage de proposer différents outils de description graphique (4) adaptés aux différentes étapes du cycle de vie du système. Les diagrammes interagissent entre eux grâce à des logiciels dédiés, ce qui permet de répercuter immédiatement toute modification réalisée sur le système à l ensemble des acteurs concernés par le projet. Les différents diagrammes SysML pour un même système sont construits selon 3 points de vue. Le point de vue fonctionnel qui consiste à décrire les actions effectuées par le système pour répondre à la question «A quoi sert-il?» Le point de vue structurel qui consiste à décrire les composants du système, son environnement ainsi que les relations entre ces composants pour répondre aux des paquets paramétrique de séquence s structurels de définition de blocs d activités LANGAGE SYSML de bloc interne questions «De quoi est-il composé?» et «Comment est-il organisé?». des cas d utilisation des exigences s fonctionnels d état s comportementaux Le point de vue comportemental qui consiste à modéliser le produit et son environnement au sein d'une théorie afin de répondre, par la simulation (multiphysique (5) le plus souvent), à la question «Quelles sont ses performances?». Modélisation SysML Logiciel utilisant le langage SysML Simulation multi-physique Logiciel de simulation multiphysique SysML n est pas une méthode, il ne s agit que d un langage libre. D autre part il n est qu en lecture en CPGE et la rédaction de diagrammes n est pas exigible au concours. Florestan MATHURIN Page 2 sur 7

3 Fiche 02 - s Fonctionnels SysML (1) Les principaux atouts de ce diagramme sont de pouvoir assurer la traçabilité en documentant les exigences au fur et à mesure du projet par ajout d éléments venant d autres diagrammes SysML, de s assurer de la cohérence entre ce que fait réellement le projet et ce qu il doit être fait et de faciliter l analyse d impact en cas de changement de solutions techniques. des exigences (Requirement Diagram req ) (1) Le diagramme des exigences permet de regrouper toutes les exigences du cahier des charges. Chaque exigence peut être associée à un critère d évaluation assorti d un niveau et d une flexibilité qui permettent de quantifier l exigence. Exemple de diagramme des exigences (simplifié et partiel) pour le système Hemomixer Exigence 1.1 (Sous exigence) La sous exigence 1.5 «est contenu dans» l exigence 1 Exigence du système (2) Le diagramme d exigences est relié aux autres types d éléments SysML par plusieurs types de relation : - «refine» : exigence / élément comportemental - «satisfy» : exigence / bloc d architecture - «verify» : exigence / cas de test réalisé (3) Les objectifs principaux des diagrammes de cas d utilisation sont de définir tous les cas d utilisation découlant de la fonction globale afin d identifier toutes les actions réalisables en utilisant le système et d identifier toutes les interactions avec les acteurs extérieurs au système qui réalisent et/ou subissent ces actions. Le bloc précise la sous exigence 1.3 Référence à des éléments d autres diagrammes SysML (2) des cas d utilisation (Use Case Diagram uc ) Le diagramme des cas d utilisation permet de décrire les actions réalisables en utilisant le système ainsi que les services rendus par le système aux acteurs (3). Exemple de diagramme des cas d utilisation (simplifié et partiel) pour le système Hemomixer Acteur Frontière du système Relation entre le système et l acteur utilisateur Fonction globale du système Florestan MATHURIN Page 3 sur 7

4 Fiche 03 - Notion de Chaines Fonctionnelles La fonction globale des systèmes complexes pluri-technologiques étudiés en SII, est d apporter une valeur ajoutée à un flux de matière, de données et/ou d énergie. Pour chacun de ces trois types de flux, un ensemble de procédés élémentaires de stockage, de transport et/ou de traitement est mis en œuvre pour apporter la valeur ajoutée au(x) flux entrant(s). On peut distinguer au sein de ces systèmes deux parties, l une agissant sur les flux de données, appelée chaîne d information, l autre agissant sur les flux de matières et d énergies, appelée chaîne d énergie. Niveau décisionnel Données entrantes Chaîne d information Données sortantes Energie entrante Matière d œuvre entrante Interface Chaîne d énergie Energie sortante Matière d œuvre sortante (1) Ce modèle fonctionnel chaîne d information/chaîne d énergie est purement pédagogique. Il a pour vertu de proposer un canevas pour l analyse des systèmes complexes pluritechnologiques. Cependant ce canevas est un modèle général et certaines fonctions techniques ne sont pas forcement utiles sur certains systèmes. Il faut adapter le modèle à chaque système. Chacune des deux chaînes peut être décomposée en un certain nombre de fonctions élémentaires (1) : réseau entrantes Consignes Energie entrante Interface de communication H/M Capteurs ALIMENTER CODER Convertisseur MODULER COMMUNIQUER Périphériques réseau TRAITER MEMORISER Unité de commande CONVERTIR RESTITUER Interface de communication H/M Chaîne d information d état à acquérir sur la chaîne d énergie TRANSMETTRE et ADAPTER réseau sortantes Matière d œuvre entrante AGIR Unité d alimentation Pré-actionneur Actionneur Eléments de transmission de puissance Effecteur PRODUIRE LOCALEMENT Unité de production d énergie STOCKER Unité de stockage d énergie Chaîne d énergie = Lien de puissance = Lien d information Matière d œuvre sortante Florestan MATHURIN Page 4 sur 7

5 (2) Une chaîne fonctionnelle est un ensemble de constituants organisés en vue de la réalisation d une seule activité. Un système complexe pluri-technologique comporte généralement plusieurs chaînes fonctionnelles différentes. Dans le cas de l hemomixer il faudrait ajouter par exemple les chaines fonctionnelles correspondant aux dispositifs de pesage et de clampage. Exemple : Chaînes fonctionnelles correspondant au dispositif d agitation de l HEMOMIXEUR (5) Consignes Pupitre Détecteur de position infrarouge Position haute ou basse bielle Chaîne d énergie Commande moteur Chaîne d information TRAITER MEMORISER Microcontroleur RESTITUER Afficheur TRANSMETTRE et ADAPTER Réducteur TRANSMETTRE et ADAPTER Système bielle manivelle Poche de sang immobile AGIR Plateau agitation + Etrier STOCKER ALIMENTER MODULER CONVERTIR Energie Mécanique Batterie Alimentation carte Carte commande moteur Moteur courant continu Energie Electrique Energie Electrique Poche de sang en mouvement (3) ~ 5/6 chaînes fonctionnelles différentes maximum environ. Le modèle chaîne d énergie / chaîne d information est très performant pour décrire la structure des systèmes peu complexes (3) car, quelque-soit le système étudié, il permet, grâce à l utilisation du canevas page 2, un cadre structuré et systématique pour l analyse et la description. Cependant il reste limité pour les systèmes très complexes car il ne permet pas notamment de décrire le système en utilisant des niveaux de raffinement (ou de granularité) différents, ce qui induit très rapidement des contraintes de lisibilité. On utilise plutôt dans ce cas les diagrammes structurels SysML. Florestan MATHURIN Page 5 sur 7

6 Fiche 04 - s Structurels SysML (1) Les objectifs principaux des diagrammes de définition de blocs d un système sont : de définir tous les composants élémentaires constituant le système, de les hiérarchiser, d identifier et de définir les grandeurs physiques intervenant dans le système en renseignant les flux entrant/sortant ainsi que les paramètres des blocs. de définition de blocs (Block Definition Diagram bdd ) Le «bloc» constitue l élément graphique de base dans ce diagramme, il permet de représenter les différents éléments du système comme le système complet, les sous systèmes, les composants élémentaires, les logiciels, (1) Exemple de diagramme de définition de blocs (simplifié et partiel) pour le système Hemomixer Flèche signifiant «est composé de» Ici : «l hemomixer est composé d une carte électronique». (2) Dans la pratique, on évite de concentrer toutes les informations sur un seul et même diagramme de définition de bloc ce qui le rendrait illisible. On construit alors dans le modèle SysML d un système autant de diagrammes de définition de blocs que l on souhaite avec des niveaux de précision et de raffinement différents. Il est aussi possible d ajouter sur chaque bloc des éléments supplémentaires (2) comme : les grandeurs physiques (values) qui caractérisent son comportement, les entrées et les sorties de matière, d énergie, d information ou de service de ce bloc sous forme de ports (port flux ou port standard), des fichiers (plans, documents techniques, photos, ) en pièce jointe au bloc. Caractéristiques principales Bloc du composant élémentaire Port correspondant à un flux entrant Port correspondant à un flux entrant (3) Il s agit du même bloc que l on retrouve aussi dans le bdd. de bloc interne (Internal Block Diagram ibd ) Le «bloc» (3), qui permet de représenter les différents éléments du système, constitue toujours l élément graphique de base. Les différents blocs sont ensuite reliés entre eux par leurs ports en fonctions des liens physiques qui existent sur le système. On retrouve 2 types de connexion par ports sur l ibd : les échanges de matière/information/énergie entre ces constituants grâce aux connexions entre ports de flux, Port flux entrée Port flux sortie Florestan MATHURIN Page 6 sur 7

7 (4) ~ toute entréesortie de contrôle ou de commande. les échanges de services invoqués (4) grâce aux ports standards. Port standard entrée Port standard sortie Les ports de flux possèdent : un sens, un nom facultatif décrivant l interface représentée. Les flux de matière, d énergie et/ou d information circulent entre deux ports de même niveau, possèdent un nom facultatif Exemple : de bloc interne du dispositif d agitation de l Hemomixer Port correspondant au flux d énergie électrique sortant Port correspondant au flux d énergie électrique entrant Transfert d informations Bloc de composant élémentaire (5) Les objectifs principaux des diagrammes de blocs internes d un système sont d agencer tous les composants élémentaires constituant le système, d identifier et de définir toutes les connexions entre les blocs. Dans la pratique, on évite de concentrer toutes les informations sur un seul et même diagramme de bloc interne ce qui le rendrait illisible. On construit alors dans le modèle SysML d un système autant de diagrammes de définition de blocs que l on souhaite avec des niveaux de précision et de raffinement différents (5). Florestan MATHURIN Page 7 sur 7