L observatoire des tendances 2014 de NI

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1 L observatoire des tendances 2014 de NI Le défi de la conception cyber-physique Big Analog Data : le plus gros volume de données volumineuses L intégration de la radio logicielle à l instrumentation RF Des tendances technologiques au service de la productivité L évolution de la conception au niveau systèmes Utiliser des appareils mobiles comme interfaces utilisateur distantes Révolutionner l enseignement de la technologie cy ess Emique st hys Syber -p E ns e ig B n em e n t n a E IL B O o inf l es D E u es Mor mat iq M g a at D A iqu e S t ec h n ig lo

2 Ce système cyber-physique est un système de contrôle complet créé avec du matériel de test et de mesure, contrôlé par logiciel, pour soigner des cancers grâce à l hadronthérapie. Des tendances technologiques qu il vous faut connaître Depuis la création de National Instruments en 1976, notre mission est d équiper les ingénieurs et scientifiques d outils permettant d accélérer la productivité, l innovation et la découverte. Pour ce faire, nous surveillons de près les tendances dans divers secteurs et nous en inspirons pour développer des outils intégrant la puissance grandissante des technologies disponibles. Étant donné que les outils NI sont utilisés dans de nombreux secteurs et applications, nous sommes bien placés pour étudier les dernières tendances en matière de mesure, de capteurs, de réseaux, de test, etc., à mesure qu elles apparaissent. Nous avons compilé dans ce rapport ce que nous avons appris afin de vous aider à tirer parti des toutes dernières avancées technologiques et de rester en tête par rapport à la concurrence. NI est plus qu un fournisseur : nous sommes aussi conseiller technologique. Nous espérons que ces informations vous aideront à être plus productif et concentré sur ce pour quoi vous avez été embauché. Eric Starkloff, Senior Vice President of Global Sales and Marketing, National Instruments

3 Sommaire Systèmes cyber-physiques LE DÉFI DE LA CONCEPTION CYBER-PHYSIQUE Développer des systèmes qui interagissent continuellement et de manière dynamique avec leur environnement grâce à l association d éléments du monde physique et d éléments du monde de l information distribués Gros volumes de données analogiques BIG ANALOG DATA : LE PLUS GROS VOLUME DE DONNÉES VOLUMINEUSES Connecter des infrastructures informatiques et des outils analytiques, tels que le cloud, à des systèmes d acquisition de données pour des prises de décisions plus rapides en matière de données de test RF/Sans fil L INTÉGRATION DE LA RADIO LOGICIELLE À L INSTRUMENTATION RF Révolutionner l industrie du sans fil en intégrant un large éventail de technologies issues de la radio logicielle aux équipements de test RF Modèles de calcul informatique PENSER DIFFÉREMMENT : L ÉVOLUTION DE LA CONCEPTION AU NIVEAU SYSTÈMES Intégrer plusieurs approches de programmation dans un seul et même environnement afin de simplifier les applications temps réel et distribuées complexes Communication mobile UTILISER DES APPAREILS MOBILES COMME INTERFACES UTILISATEUR DISTANTES DANS DES SYSTÈMES DE MESURE ET DE CONTRÔLE Concevoir des systèmes accessibles à tout moment, quel que soit l endroit et depuis n importe quel appareil L enseignement scientifique et technique (STEM) RÉVOLUTIONNER L ENSEIGNEMENT DE LA TECHNOLOGIE Préparer les étudiants à des approches interdisciplinaires de l ingénierie

4 france.ni.com/trendwatch Le défi de la conception cyber-physique Les systèmes techniques modernes sont rarement conçus une seule fois, rarement conçus dans l isolement et rarement entièrement finis. Le mécanisme de freinage de votre voiture a fait ses débuts avec le frein à levier mécanique sur les calèches tirées par des chevaux, et a ensuite été amélioré avec l hydraulique afin d augmenter la puissance de freinage et la stabilité. Les composants électriques ont été introduits avec l avènement du freinage assisté. Les freins ABS (antiblocage) ont fait leur apparition avec des systèmes de contrôle mécanique pour éviter aux roues d avions de se bloquer ; une technique appliquée par la suite aux automobiles. Aujourd hui, les freins d automobiles intègrent le contrôle électronique de la stabilité, le contrôle de traction, la régulation adaptative de la vitesse, l assistance au freinage d urgence, et bien plus encore. Ce qui était autrefois un levier est maintenant un système qui comprend des ordinateurs distribués, des roues freinées indépendamment, ainsi que la détection de toute intervention humaine, des performances du véhicule et des obstacles dans l environnement. Les véhicules sont eux-mêmes des composants de systèmes plus larges, interagissant avec des systèmes de surveillance et de contrôle du trafic urbain qui gèrent les feux tricolores, les voies express et les parcmètres, afin de répondre à la demande sociale. Un autre exemple est le télescope, initialement construit à partir de deux lentilles en verre. Aujourd hui, plus de miroirs sont activés toutes les quelques millisecondes par un réseau distribué d ordinateurs au sein du Très grand télescope à l Observatoire européen austral. Au fil du temps, les produits autonomes sont remplacés par des plates-formes, et même les conceptions du type levier les plus simples évoluent vers des systèmes dynamiques interdépendants. De nombreux systèmes complexes conjuguent les domaines de l informatique, des technologies de l information et de la physique. Il est fréquent de faire référence aux systèmes informatiques, de technologies de l information et de communication collectivement en utilisant le terme cyber-systèmes ; ces derniers interagissent directement avec le monde qui nous entoure de manière nouvelle et bénéfique. L étude et le développement de systèmes techniques regroupant les mondes cybernétique et physique est un domaine scientifique émergent. Ces systèmes cyber-physiques (CPS) sont conçus pour interagir continuellement et de manière dynamique avec leur environnement grâce à l association d éléments du monde physique et d éléments du monde de l information distribués. Les applications CPS nous entourent et comprennent les réseaux électriques intelligents (smart grid), les réseaux de circulation de véhicules, les bâtiments intelligents, les robots coopératifs, les télécommunications, les systèmes automobiles et l avionique. Un CPS se caractérise par trois comportements fondamentaux qui s entrecroisent : le calcul informatique, la communication et le contrôle. Pour se développer, la science relativement récente des CPS s est appuyée sur la nécessité de relever des défis techniques de plus en plus pressants et sophistiqués à l échelle mondiale. Cette science est fondée sur la conception de systèmes embarqués traditionnels et s étend à des systèmes plus intelligents et complexes, qui représentent un potentiel important en matière d innovation et d impact social. Dans l ouvrage Cyber-Physical Systems: Imminent Challenges (Systèmes cyber-physiques : défis imminents), Dr. Manfred Broy, fondateur et chef du service des sciences informatiques à l université technique de Munich, écrit que les systèmes cyber-physiques peuvent changer la façon dont les individus et les organisations interagissent et contrôlent le monde physique, et peuvent devenir aussi révolutionnaires qu Internet. En dépit de son jeune âge, la science des CPS a déjà fourni des résultats spectaculaires et concrets. DÉFIS DE CONCEPTION UNIQUES ET ÉMERGENTS Comme tout système technique, la conception d un CPS est soumise à des contraintes de ressources strictes, notamment le coût, la consommation électrique, la fiabilité, l extensibilité et les performances. De nombreuses techniques utilisées pour répondre à ces contraintes font l impasse sur une caractéristique unique et fondamentale d un CPS : sa capacité à interagir de manière sensée, dynamique et prévisible avec le monde réel. À mesure que ces systèmes gagnent en prévalence et en complexité, leurs créateurs doivent regrouper les champs de connaissances des mondes cybernétique et physique. Ils ne doivent pas concevoir en se préoccupant des contraintes et des détails d implémentation, mais plutôt en mettant en avant le comportement du système au vu de son environnement. L évolution d une conception simple en un système complexe est un phénomène courant ; cependant, il est toujours difficile de gérer la complexité tout en accélérant l innovation. Quand les ventes d une entreprise se développent, la taille et l impact des systèmes qu elle fournit augmentent à leur tour, et le coût de développement d un élément est supérieur à son coût d intégration dans un système plus important. Ce défi de conception cyber-physique s amplifie uniquement quand les conceptions s étendent aux logiciels, réseaux et processus physiques. Ne pas résoudre ce problème peut être la cause de conceptions médiocres et du ralentissement de l innovation. Cela se produit quand les spécialistes d un domaine se concentrent plus sur l intégration des éléments cyber-physiques que sur la création de conceptions nouvelles, avec bien souvent peu d informations sur le comportement d un élément lors de son intégration à d autres éléments. De ce fait, les systèmes deviennent fragiles et difficiles à corriger ; les investissements techniques passent de l expertise dans un domaine à l intégration de systèmes, et de l innovation à la standardisation. Les entreprises innovantes ne peuvent pas, aujourd hui, se permettre de créer des produits sans anticiper les défis de conception cyber-physique auxquels elles seront confrontées dans les systèmes complexes de demain.

5 Les CPS sont trop complexes pour être conçus à l aide d outils et de techniques disparates. La conception au niveau systèmes, allant au-delà de l implémentation, est cruciale pour relever les défis de conception cyber-physique. Dr. Vijay Kumar, directeur adjoint de la robotique et des systèmes cyber-physiques à la Maison Blanche, souligne cette importance en déclarant qu il existe un besoin urgent de développer des méthodes de conception qui fourniront des résultats temps réel et garantis dans le domaine des systèmes cyber-physiques. Les ingénieurs ont besoin d outils pour la conception holistique d un système et de ses interactions avec le monde réel. Par exemple, en 2003, une panne d électricité de trois jours a affecté 55 millions de personnes dans le nord-est des États-Unis. Les outils de modélisation de la propagation du courant utilisés pour analyser les propriétés physiques du réseau électrique ne répliquaient ni le comportement des systèmes de contrôle automatiques ni l effet de réseau des coupures en cascade. Cet exemple démontre la nécessité d adopter une approche de conception holistique dans les systèmes cyber-physiques. Les méthodes de conception CPS permettent de modéliser et d étudier les interactions existant entre les mondes cybernétique et physique, facilitant ainsi l identification et la prévention de ces problèmes ainsi que d autres types de panne qui sans quoi passeraient inaperçus. [Les systèmes cyber-physiques] peuvent changer la façon dont les individus et les organisations interagissent et contrôlent le monde physique, et peuvent être aussi révolutionnaires qu Internet. Dr. Manfred Broy, fondateur et chef du service des sciences informatiques, Université technique de Munich méthodes de conception complémentaires, souvent utilisées en parallèle. Lorsque vous adoptez un outil de conception de systèmes, vous adoptez une plate-forme qui unit des méthodes de conception, s étend sur plusieurs niveaux d abstraction et modèles de calcul informatique, réduit le coût d intégration et accélère l innovation de votre prochaine plate-forme. De meilleures conceptions de CPS sont possibles grâce à une méthode de conception disciplinée, des outils de développement holistique ainsi que du matériel commercial prêt-à-l emploi. Pour reprendre l exemple du levier de frein de la calèche, vous constatez qu une invention qui se voulait simple à un moment donné a évolué en un CPS complexe qui se retrouve maintenant partout. Ce qui amène à se demander quels leviers vous concevez aujourd hui, comment ils évolueront en des systèmes complexes demain et si vous avez les bons outils de conception pour faire de demain une réalité. RÉSOUDRE LE PROBLÈME DE LA CONCEPTION CYBER-PHYSIQUE L une des méthodes ayant fait ses preuves pour relever le défi de la conception cyber-physique est la conception basée sur un modèle, qui met l accent sur la modélisation pour concevoir, analyser, vérifier et valider des systèmes dynamiques. Les ingénieurs tirent leurs modèles des spécifications système et de l analyse de l environnement, et les utilisent pour concevoir, simuler, synthétiser et tester un CPS. Ces techniques de modélisation valorisent l interaction entre la conception pratique et des modèles formels de systèmes qui intègrent à la fois la dynamique physique et le calcul informatique. L intégration manuelle et le déploiement de ces modèles sont coûteux, longs et sujets aux erreurs. Les outils de conception de systèmes ayant les niveaux appropriés d abstraction permettent aux modèles cybernétiques et physiques d être automatiquement combinés, simulés et déployés, et ces mêmes modèles s adaptent aux exigences de suivi et de vérification de type HIL (hardware-in-the-loop). Une autre méthode de conception ayant fait ses preuves dans le domaine des CPS est la conception basée sur une plate-forme, inventée à l Université de Berkeley en Californie. Elle est très largement utilisée dans les secteurs automobile et aérospatial pour planifier et construire des plates-formes qui s étendent à des systèmes volumineux et complexes ayant de longues durées de vie. Une plate-forme peut être utilisée comme couche d abstraction permettant de penser aux contraintes au niveau de l application sans se soucier des ajustements d implémentation. Avec les bons niveaux d abstraction, on peut distinguer les préoccupations de conception en définissant les éléments de la plate-forme ayant des interconnexions claires, ce qui donne lieu à des conceptions subdivisées, composables et modularisées. Des interconnexions claires permettent de mettre à niveau ou de remplacer des éléments d une plate-forme par du matériel commercial prêt-à-l emploi afin de diminuer les coûts de développement et de simplifier la gestion du cycle de vie. Il est possible de réutiliser, exploiter, remanier ou tirer profit des éléments d une plate-forme pour des structures de test, du suivi, de la vérification et de la documentation de spécifications. La conception basée sur une plate-forme et la conception basée sur un modèle sont des Calcul informatique Divertissement Diagnostic en ligne Transmission automatique Stabilité Freinage Contrôle De véhicule-à-véhicule Services d'urgence Satellite Vitesse adaptative Communication Les trois éléments clés d un système cyber-physique sont le calcul informatique, la communication et le contrôle. SYSTÈMES CYBER-PHYSIQUES 5

6 france.ni.com/trendwatch Big Analog Data : le plus gros volume de données volumineuses Dans les applications de test, de mesure et de contrôle, les ingénieurs et scientifiques peuvent collecter de très grandes quantités de données en peu de temps. Quand le télescope LSST (Large Synoptic Survey Telescope) de la NSF (National Science Foundation) fera son apparition en 2016, il devrait acquérir plus de 140 téraoctets d informations par semaine. De gros fabricants de turbines à gaz ont rapporté que les turbines instrumentées générant de l électricité produisent, alors qu elles sont en test de fabrication, plus de 20 téraoctets de données par jour. Dans une application de surveillance d équipements, citée dans l article Big Data: Sweat the Little Stuff d octobre 2013 du magazine Automation World, échantillons issus de capteurs sont acquis toutes les secondes, accumulant ainsi jusqu à 4 mille milliards d échantillons en une année. Nick Wingfield, blogueur pour le New York Times, a écrit dans un bulletin du 12 mars 2013 que des sociétés immobilières utilisent des signaux GPS provenant de dizaines de millions de conducteurs, afin de déterminer les durées de trajet dans des quartiers prospectifs. Ce ne sont que quelques exemples illustrant la tendance des données volumineuses ( big data ). Cependant, la quantité de données n est pas la seule caractéristique de cette tendance. En général, les données volumineuses se caractérisent par la combinaison de trois ou quatre V : le volume, la variété, la vitesse et la valeur. Un V supplémentaire, pour visibilité, émerge comme une caractéristique clé. Autrement dit, un besoin grandissant parmi les sociétés mondiales est d avoir un accès à des données techniques, scientifiques et commerciales à partir de n importe quel point du globe. Par exemple, des données acquises à partir d un équipement agricole instrumenté dans un champ du Midwest des États-Unis peuvent être analysées par des ingénieurs en Europe. Ou des ingénieurs de test de produits sur des chaînes de production en Amérique du Sud et en Chine peuvent avoir besoin d échanger leurs données respectives pour mener des analyses comparatives. Cela a pour conséquence de nécessiter une liaison étroite entre d une part des systèmes informatiques (IT) interconnectés, tels que le cloud, et d autre part des systèmes d acquisition de données (DAQ). CARACTÉRISATION DES INFORMATIONS SUR LES DONNÉES ANALOGIQUES VOLUMINEUSES Les informations relatives aux données analogiques volumineuses diffèrent légèrement de celles des autres données volumineuses, telles que celles qui sont extraites des systèmes informatiques ou des données sociales. Il s agit en effet de données analogiques sur la tension, la pression, l accélération, la vibration, la température, le son, etc., issues du monde physique. Les sources de données analogiques volumineuses sont l environnement, la nature, les gens ainsi que les machines électriques et mécaniques. De plus, ce sont les données volumineuses les plus rapides dans la mesure où les signaux analogiques sont généralement des formes d ondes continues qui nécessitent d être numérisées à des fréquences pouvant atteindre des dizaines de gigahertz, et souvent avec des précisions réclamant un grand nombre de bits. Il s agit également du plus gros volume de données car ce type d informations est constamment généré à partir de sources naturelles ou humaines. Pensez aux ondes lumineuses, sonores, électromagnétiques et de mouvement, générées de façon incessante à travers le monde, le système solaire et l univers. Selon IBM, une énorme partie des données volumineuses actuelles est issue de l environnement, y compris les images, la lumière, le son et même les signaux radio... et elles sont toutes analogiques. Et l on s attend à ce que les données analogiques collectées par le SKA (Square Kilometre Array), radiotélescope d environ un kilomètre carré, produisent un volume 10 fois supérieur à celui des données générées par le trafic Internet à l échelle mondiale. UNE SOLUTION À TROIS NIVEAUX POUR LES DONNÉES ANALOGIQUES VOLUMINEUSES Tirer des conclusions précises et significatives à partir de données analogiques si rapides et volumineuses est un problème qui prend de l envergure. Ces données compliquent l analyse, la recherche, l intégration, la publication des données recueillies ainsi que la maintenance du système qui doit suivre la croissance exponentielle des données obtenues. Des solutions de capture, d analyse et de partage des données analogiques volumineuses sont en place pour traiter à la fois les problèmes de données volumineuses conventionnelles et les difficultés de gestion des données analogiques. Pour faire face à ces défis (et exploiter la valeur des sources de données analogiques), les ingénieurs recherchent des solutions complètes. Plus particulièrement, les ingénieurs recherchent des architectures de solution à trois niveaux, comme l illustre la figure ci-contre, pour créer une solution unique et intégrée, allant de la capture en temps réel au niveau des capteurs à l analyse au niveau des infrastructures informatiques en fin de processus. Le flux de données analogiques démarre au premier niveau, avec le capteur, et est acquis dans les nœuds du système au deuxième niveau. Ces nœuds effectuent une première analyse des données en temps réel et de façon dynamique. Les informations considérées comme étant importantes sont alors transmises aux équipements informatiques traditionnels. Dans l infrastructure informatique, ou troisième niveau, les serveurs, le système de stockage et les équipements réseau gèrent, organisent et analysent plus en profondeur les données capturées. Enfin, les données sont archivées pour une utilisation ultérieure. Au fil des étapes du flux de données, le domaine grandissant de l analyse des données volumineuses apporte de nouvelles idées. Par exemple, l analyse en temps réel du deuxième niveau sert à déterminer la réponse immédiate d un système de contrôle de mouvement ultra précis. Contrairement à ce traitement dynamique, les données

7 stockées peuvent être récupérées pour une analyse en différé permettant par exemple d avoir une meilleure idée du comportement saisonnier d une turbine générant de l énergie. Aux deuxième et troisième niveaux, les produits et technologies de visualisation de données facilitent la prise de conscience des avantages des informations acquises. Si l on considère que les solutions de gestion des données analogiques volumineuses impliquent généralement la connexion de nombreuses voies d acquisition de données à de nombreux nœuds de système, des caractéristiques comme la fiabilité, la disponibilité, la sûreté de fonctionnement et la facilité de gestion deviennent plus importantes. En général, ces quatre qualités expriment la robustesse d un système par rapport à sa capacité de fonctionnement prévu. Par conséquent, elles sont essentielles à la qualité de la mission pour laquelle le système est déployé. Cela a un impact majeur sur les résultats techniques et commerciaux. Par exemple, la fiabilité, la disponibilité, la sûreté de fonctionnement et la facilité de gestion peuvent simplifier la prise de décision d une maintenance préventive ou du remplacement d un système. Cela peut transformer efficacement une panne imprévue en une panne gérable et planifiée, et ainsi permettre de continuer à assurer un service régulier et améliorer la continuité commerciale. La sûreté de fonctionnement et la facilité de gestion sont similaires à celles qui sont requises pour un PC ou un serveur. Elles comprennent la découverte, le déploiement, l état, les mises à jour, la sécurité, Parmi les données volumineuses, les données analogiques se distinguent par leur ancienneté, leur vitesse et leur volume. Ce sont aussi les données qui nourrissent la connaissance scientifique, technique et commerciale. les diagnostics, l étalonnage et l enregistrement des événements. Les quatre qualités exprimées précédemment sont critiques pour réduire les risques d intégration et diminuer le coût total de propriété car ces nœuds de système sont incorporés aux infrastructures informatiques du troisième niveau. Parmi les données volumineuses, les données analogiques se distinguent par leur ancienneté, leur vitesse et leur volume, tous plus importants que pour les autres types de données. Ce sont aussi les données qui nourrissent la connaissance scientifique, technique et commerciale. Afin d exploiter cette ressource considérable, les développeurs se tournent vers des solutions qui fonctionnent grâce à des outils et des plates-formes s intégrant bien les unes avec les autres ainsi qu avec un large éventail d autres partenaires. La demande pour cette solution (à trois niveaux) aux problèmes des données analogiques volumineuses est en pleine croissance car elle est particulièrement efficace dans des domaines d application clés, tels que la recherche scientifique, les tests de produits et la surveillance d état des machines et de systèmes. Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Capteurs/Actionneurs (Point d'acquisition des données/contrôle) Nœuds du système (Acquisition et analyse des données, contrôle, surveillance, test) Matériel et Firmware La Frontière Serveurs, stockage et stations de travail de l'infrastructure informatique (Analytique, bases de données, archives) Informatique de pointe (locale, à distance, cloud) Informatique d'entreprise/fédérée Logiciel Flux de données Temps réel Dynamique Début de cycle Stockage Archive Le défi que représentent les données analogiques volumineuses peut être relevé en considérant trois niveaux : les capteurs et actionneurs, les systèmes d acquisition de données et d analyse, et les infrastructures informatiques. DONNÉES ANALOGIQUES VOLUMINEUSES 7

8 france.ni.com/trendwatch L intégration de la radio logicielle à l instrumentation RF L instrument RF moderne est passé du simple appareil de mesure à un outil essentiel pour la conception de systèmes. Cette évolution a été possible grâce à une gamme étendue de technologies issues de la radio logicielle. La flexibilité de la radio logicielle révolutionne le secteur du sans fil mais aussi celui des équipements de test RF. À la fin des années 80, des ingénieurs ont commencé à s essayer à la radio logicielle (SDR en anglais, pour Software Defined Radio). Historiquement, les radios s appuyaient sur des circuits analogiques complexes pour la transmission et la réception de signaux à des radiofréquences et des hyperfréquences, mais aussi pour l encodage et le décodage du signal du message. L idée de la radio logicielle était d utiliser une radio sans fil polyvalente pour la transmission et la réception de signaux tout en exécutant de nombreuses fonctions de la couche physique (telles que la modulation et la démodulation) au sein même du logiciel. La radio logicielle a fait ses débuts sous plusieurs formes ; les plus notables étaient des programmes militaires de communication radio tels que le programme SPEAKeasy du début des années 90, comme l indique Walter H.W. Tuttlebee dans son ouvrage Software Defined Radio: Origins, Drivers and International Perspectives. Les radios conçues dans le cadre de ce programme offraient une interopérabilité entre diverses interfaces hertziennes en mettant en œuvre nombre de fonctions de modulation et de démodulation logicielles. À la fin des années 90, des ingénieurs ont fait des recherches actives sur l utilisation de la technologie radio logicielle dans les systèmes civils tels que les stations de base cellulaires. L un des articles les plus influents décrivant les spécifications des radios logicielles pour une gamme étendue d applications s intitule Software Radios: Survey, Critical Evaluation and Future Directions écrit par Dr. Joseph Mitola III et publié dans le magazine IEEE Spectrum en Grâce à ses recherches approfondies, Dr. Mitola est très largement reconnu comme étant le Père de la radio logicielle. Les stations de base modernes symbolisent peut-être le mieux les avantages de l approche radio logicielle. Alors que les standards du sans fil sont passés du GSM au LTE, il est devenu de plus en plus difficile d ajouter du support pour de nouveaux standards sans multiplier le matériel. Par ailleurs, les stations de base utilisent des logiciels élaborés et évolutifs pour le traitement des signaux et le contrôle en boucle fermée. Par exemple, les techniques de linéarisation d amplificateur de puissance, telles que la pré-distorsion numérique, sont essentielles aux performances des stations de base et s améliorent constamment au fil du temps. En conséquence, l approche radio logicielle est idéale pour la conception de stations de base et leur support à long terme. CHANGEMENTS FONDAMENTAUX AU NIVEAU DE L INTRUMENTATION Au moment où l adoption de l architecture radio logicielle a pris de l ampleur dans le secteur du sans fil, les équipements de test et de mesure RF ont grandement évolué. Au début des années 2000, l offensive des nouveaux standards sans fil s est traduite par l obligation de la part de l instrumentation d élargir ses capacités de mesure, en adoptant une architecture plus flexible. Étant donné la variété de mesures RF que les ingénieurs doivent effectuer, il a fallu revoir l ancienne pratique de conception d un instrument dédié à une gamme relativement étroite d applications. Par conséquent, les fournisseurs d équipements de test ont commencé à s intéresser au concept d instruments RF logiciels. L évolution de l analyseur de spectre à balayage traditionnel représente l un des exemples les plus marquants de la transition vers l instrumentation logicielle, à l échelle d un secteur. Dans un analyseur de spectre traditionnel, les fonctions comme le filtrage par bande de résolution et la détection de puissance sont implémentées à l aide de composants analogiques. Alors que de nos jours, l analyseur de signaux RF moderne intègre un convertisseur abaisseur de fréquences (une radio) RF polyvalent pour produire des échantillons I/Q numérisés. En interne, l instrument traite les échantillons I/Q de différentes manières, y compris par calcul du spectre. Ainsi, le même analyseur de signaux utilisable pour effectuer une mesure de spectre peut aussi servir à décoder une impulsion RADAR, à démoduler un signal LTE ou encore à enregistrer un signal GPS hors radio. Aujourd hui, les fournisseurs d équipements de test ont perfectionné les architectures des instruments RF pour qu elles ressemblent à celles des radios logicielles. L architecture fondamentale de la nouvelle génération d instruments RF comprend en plus d une radio polyvalente, un large éventail de technologies PC et de traitement des signaux, telles que les processeurs multicœurs et les FPGA. Cette intégration de la radio logicielle aux équipements de test RF d aujourd hui apporte des avantages considérables aux applications de test RF traditionnelles mais permet aussi aux ingénieurs de développer des applications jusqu à présent impossibles à réaliser avec une instrumentation RF classique. L IMPACT DE LA LOI DE MOORE SUR LES TESTS RF L amélioration continue des performances de traitement des signaux est l un des avantages les plus flagrants de l intégration de la technologie PC à l instrumentation RF. La loi de Moore prédit des améliorations constantes de la puissance de traitement des processeurs, ce qui se traduit par des améliorations semblables en termes de performances de traitement des instruments. Ainsi, tandis que les fournisseurs de semi-conducteurs continuent à innover dans le domaine des processeurs, les instruments basés PC voient leurs vitesses de mesure augmenter. Par exemple, la mesure de spectre qui prenait 50 ms il y a dix ans peut aujourd hui être effectuée en moins de 5 ms.

9 Outre le processeur, les instruments RF modernes intègrent de plus en plus une technologie essentielle à la radio logicielle moderne : le FPGA. Si les circuits FPGA sont utilisés depuis plus de dix ans dans les instruments RF, ce qui est nouveau, c est de rendre ces FPGA programmables par l utilisateur. Les FPGA programmables par l utilisateur étendent le rôle de l instrumentation au-delà d une seule fonction pour en faire un système de contrôle en boucle fermée extrêmement flexible. Avec les instruments basés FPGA, les ingénieurs peuvent associer les capacités de contrôle temps réel du FPGA aux fonctions de test pour lesquelles le temps est critique. Par exemple, dans les applications de test nécessitant un contrôle du produit sous test via une interface numérique, un instrument basé FPGA peut synchroniser le contrôle numérique du produit avec l exécution des mesures RF. Le résultat des nouvelles méthodes de test qu offrent les FPGA programmables par l utilisateur est que les ingénieurs constatent des gains de temps 100 fois supérieurs. Les avantages des instruments basés FPGA ont également favorisé l innovation dans l histoire de la programmation FPGA. Bien que certains ingénieurs utilisent des langages de description du matériel tels que le VHDL depuis des années, la complexité de la programmation FPGA est souvent un frein à son adoption généralisée. ÉTENDRE LES APPLICATIONS GRÂCE À L INTÉGRATION DE LA RADIO LOGICIELLE Au bout du compte, les éléments d architecture de type radio logicielle de l instrumentation RF actuelle ont réduit la distance entre l instrument et les plates-formes embarquées. La particularité des caractéristiques des instruments comme la programmation du FPGA par l utilisateur Aujourd hui, les fournisseurs d équipements de test ont perfectionné les architectures des instruments RF pour qu elles ressemblent à celles des radios logicielles. a entraîné une envolée du nombre d instruments RF utilisé dans des applications embarquées. Il y a vingt ans, cela semblait insensé d assembler de multiples générateurs et analyseurs de signaux RF s élevant à un million de dollars pour fabriquer le prototype d un système RADAR. Non seulement un tel système était proscrit en raison de son coût et de sa taille, mais en plus, l expérience de programmation des instruments empêchait les ingénieurs d utiliser ces instruments comme une radio. Pourtant, aujourd hui, il existe des plates-formes d instrumentation basée PC plus compactes et puissantes, comme le PXI, qui se révèlent être des solutions de prototypage idéales pour les systèmes embarqués électroniques. Non seulement les instruments basés PC répondent aux critères de taille et de coût des systèmes embarqués, mais ils offrent également une expérience logicielle qui facilite aux ingénieurs la reconfiguration d un instrument RF pour une grande variété d utilisations. Désormais, les ingénieurs créent des systèmes embarqués tels que des RADAR, des émulateurs de voies, des appareils GPS et du matériel de pré-distorsion numérique avec des générateurs et analyseurs de signaux RF. La possibilité d entièrement définir et personnaliser le comportement de l instrumentation RF de façon logicielle est un élément crucial pour relever les défis qui ont trait aux tests de prochaine génération. En conséquence, l architecture des instruments RF de demain se distinguera de moins en moins de celle de la radio logicielle. Instrument avec radio logicielle intégrée Radio logicielle Attributs caractéristiques + Frontal RF d'agilent + Tx et Rx intégrés + Technologie DSP accessible + Étalonnage traçable NIST + Algorithmes de mesure + API d'automatisation Attributs caractéristiques Instrument L instrument moderne combine les attributs caractéristiques de la radio logicielle et ceux d un instrument classique. RF/SANS FIL 9

10 france.ni.com/trendwatch Penser différemment : l évolution de la conception au niveau systèmes Dit simplement, un modèle informatique est un langage ou une approche de développement parmi d autres qui permet de résoudre des problèmes complexes. Qu il s agisse de rechercher de nouvelles sources d énergie renouvelable ou de faire de la recherche avancée sur le cancer, la complexité des problèmes auxquels les ingénieurs font face ne cesse de s intensifier. De ce fait, une solution unique requiert parfois l intégration de plusieurs modèles informatiques. Cependant, les ingénieurs ont généralement une formation de développeur dans un seul langage. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ces problèmes de plus en plus ardus, le modèle mental de l ingénieur d aujourd hui doit évoluer. L APPROCHE TRADITIONNELLE DE LA CONCEPTION DE SYSTÈMES De nos jours, la conception complexe couvre divers domaines de connaissances. Prenez l exemple du test d un système cyberphysique tel qu un appareil électroménager intelligent. Cette application, autrefois simple, requiert des connaissances dans un certain nombre de domaines comme les standards RF, la gestion de l énergie, la conception physique, la dissipation de la chaleur, la capture et l analyse d images et potentiellement la qualité vidéo. Sur le marché du test traditionnel, chacune de ces fonctions nécessite d être testée par un spécialiste différent, à l aide d outils disparates, ce qui crée des barrières artificielles entre ces spécialistes. Chaque spécialiste travaille avec son propre langage, sans point commun entre les outils. Non seulement le coût de l intégration de ces langages est élevé, en termes pécuniaires et de temps consacré, mais en plus le processus d intégration de ces approches n apporte aucune valeur au système conçu. La disparité des outils limite considérablement l extensibilité du système, et toute modularité est perdue car le temps consacré à l intégration doit être réinvesti lorsque l un des composants spécifique à un domaine change. Il est vrai que cela pourrait être évité si chaque développeur propre à un domaine gardait à l esprit les exigences de conception d ensemble ; mais, cela aussi nécessite un changement d approche. Prenons l exemple suivant, tiré de l article d Edward Lee qui s intitule Taming Heterogeneity the Ptolemy Approach, dans lequel il fait état de la tendance grandissante des auteurs d un modèle individuel à ne pas pouvoir anticiper correctement les besoins d intégration de ce modèle dans d autres langages : Un exemple de comportement émergent est l inversion de la priorité entre les threads d un système d exploitation temps réel. Dans ce cas, les threads interagissent en fonction de deux mécanismes de communication différents : l exclusion mutuelle à l aide de moniteurs, et un mécanisme de programmation de la priorité fixe. En prenant chaque mécanisme à part, un inventeur s attendrait naturellement à voir le programmeur de thread retenir les threads de faible priorité quand un thread de priorité élevée est prêt à s exécuter. Au lieu de cela, en verrouillant un moniteur, un thread de faible priorité peut bloquer un thread de priorité élevée pour un temps illimité. Cette aptitude à anticiper correctement les besoins d intégration au-delà de leur outil de spécialisation est un élément difficile pour les développeurs qui sont alarmés car ils doivent désormais acquérir et considérer ces exigences, hors de leur champ de connaissances attitré. Le manque d interopérabilité entre les outils du domaine complique davantage cette situation. L ÉVOLUTION NÉCESSAIRE DE LA CONCEPTION DE SYSTÈMES Voici venu le moment d évoluer et de transformer l approche utilisée pour aborder ces applications de conception complexes. Les spécialistes de chaque domaine sont trop calés et performants dans le maniement des outils propres à leur domaine pour voir un nouveau langage unique envoyer ces outils au placard. Par contre, il est plus concevable de faire appel à un outil logiciel de plus haut niveau qui apporte un niveau d abstraction supérieur à celui des outils spécifiques au domaine. Par exemple, les ingénieurs peuvent utiliser des logiciels de conception de systèmes tels que NI LabVIEW pour intégrer des modèles informatiques divers, qu il s agisse de code C, d un fichier.m personnalisé ou d un diagramme d états-transitions standard UML. Le gain de productivité vient de l abstraction des détails d intégration de ces modèles informatiques divers, et non de la réinvention de chaque modèle comme entité individuelle. À travers l histoire de la programmation, l abstraction logicielle n a eu de cesse d accroître la productivité en éliminant les détails futiles. Du code machine au FORTRAN, du BASIC au C et du C au C++, chaque niveau d abstraction a amélioré la capacité du développeur à mettre en œuvre des applications toujours plus complexes sans faire l impasse sur le contrôle des éléments individuels. Ce même avantage peut se retrouver dans la conception de systèmes en adoptant une approche logicielle vraiment abstraite pouvant être utilisée par les spécialistes d un domaine pour construire leurs composants individuels à l aide de leurs outils préférés, mais aussi pour collaborer par le biais d un outil de conception de systèmes unique, qui supporte les modèles informatiques indépendants. De manière conceptuelle, cela revient à automatiser l intégration (les prototypes et simulations étant automatiquement convertis en tests), ce qui fait disparaître les obstacles relatifs aux domaines de connaissances.

11 Disposer d un outil logiciel abstrait capable de parler les différents langages des outils de conception spécifique à un domaine élimine la nécessité d investir du temps et de l argent dans l intégration de systèmes. Cette approche logicielle multilingue est essentielle à l accroissement de la productivité dans les conceptions complexes. Elle permet également de ne pas se laisser dépasser par l ampleur des défis grandissants du monde qui nous entoure. Observez la représentation visuelle du code, dans la figure ci-dessous. Chaque bloc représente fonctionnellement du code développé avec un outil standard tel que le code C développé sous.net, le code.m développé dans le logiciel MATLAB de MathWorks, Inc. ou le logiciel GNU Octave, et le code FPGA développé en VHDL. Chaque module de code est développé par des spécialistes de leur domaine avec les outils qu ils maîtrisent. La couche d abstraction est appliquée lors de l intégration de ces modèles. Bien que chaque bloc soit une représentation fonctionnelle du code développé dans l outil préféré du spécialiste, le logiciel de conception de systèmes combine ces modules dans un diagramme fonctionnel qui exécute le système comme un tout. À travers l histoire de la programmation, l abstraction logicielle n a eu de cesse d accroître la productivité en éliminant les détails futiles. L HEURE EST AU CHANGEMENT Dans un marché où les exigences et la technologie changent constamment, les outils utilisés pour résoudre des problèmes toujours plus complexes ne suivent pas la cadence. Par conséquent, les ingénieurs s ajustent lentement même si cela implique de compliquer leur travail outre mesure. L état d esprit des ingénieurs doit être le suivant : reconnaître que plusieurs modèles informatiques sont nécessaires au développement de systèmes complexes et exiger que l intégration de ces langages divers évolue. Cette évolution de la manière d aborder la conception à l échelle du système permet à chaque spécialiste de son domaine de réellement choisir les meilleurs outils pour faire son travail, puis lui permet d intégrer ces outils dans une représentation unique du système d ensemble. Mieux encore, cela permet au développeur de choisir l approche la plus appropriée, indépendamment de son niveau d expertise. Pour un ingénieur, telle est la vraie mesure de la productivité..c.vi.m.bit L évolution de la conception à l échelle du système nécessite un logiciel capable d abstraire plusieurs modèles de calcul et de leur permettre d être utilisés en parallèle. Cela permet de développer chaque élément de l application dans le langage approprié et dans un environnement familier, et de l intégrer sans pour autant connaître les détails de chaque élément. MODÈLES DE CALCUL 11 MATLAB est une marque déposée de The MathWorks, Inc.

12 france.ni.com/trendwatch Utiliser des appareils mobiles comme interfaces utilisateur distantes dans des systèmes de mesure et de contrôle L ère de l informatique mobile bat son plein. De nos jours, les gens utilisent leurs smartphones et tablettes au quotidien pour une multitude de tâches utiles. Les ventes de tablettes à l unité vont bientôt dépasser celles des PC ; phénomène qui, pour nombre de commentateurs, semblait être une illusion quand Apple a introduit l ipad au début de l année Il est facile d oublier que ces technologies sont entrées sur le marché récemment vu la vitesse à laquelle nous les avons intégrées dans nos vies. Dans ce paysage tumultueux, comprendre comment la technologie mobile peut avoir un impact sur les systèmes de mesure et de contrôle, et notamment sur les attentes des utilisateurs de ces systèmes, représente un défi pour les créateurs de systèmes. En reconnaissant les avantages que les appareils mobiles peuvent représenter pour leurs systèmes et en prenant conscience des limites de ces appareils, les ingénieurs vont être capables de prendre des décisions éclairées quant à la raison et la manière de mettre en application les technologies mobiles, qui non seulement permettront de gagner du temps et de l argent mais qui seront aussi un enchantement pour leurs clients et utilisateurs. N IMPORTE OÙ, N IMPORTE QUAND, DEPUIS N IMPORTE QUEL APPAREIL À l époque de la consumérisation des technologies de l information, l expérience qu ont les gens des technologies dans leur vie privée influence leurs exigences pour ces mêmes technologies sur leur lieu de travail. Dans le cas des appareils mobiles, nous transportons dans nos poches et nos sacs de jolis ordinateurs puissants que nous utilisons pour une grande variété de tâches. Nous n avons plus besoin d aller à la banque ou même d allumer un ordinateur de bureau pour consulter le solde de notre compte. Nous pouvons faire cela avec un smartphone, en faisant la queue au supermarché. La possibilité d accéder à un système tel qu une banque à n importe quel moment, de n importe quel endroit et de n importe quel appareil, est l une des attentes fondamentales que nous avons désormais avec tout système que nous utilisons. Prenez l exemple du thermostat Nest, un thermostat d intérieur connecté à un réseau qui apprend l emploi du temps des occupants d une maison et se programme lui-même afin de leur permettre de réduire leur consommation énergétique et de faire des économies. L utilisateur du thermostat Nest interagit avec le système d abord directement avec le boîtier du thermostat, qui surveille, configure et contrôle le système. Puis, l utilisateur interagit à distance avec le thermostat, soit en utilisant un navigateur web soit avec l application mobile de Nest sur un appareil mobile, pour contrôler la température de la maison et ajuster le programme que le thermostat aura appris. Les utilisateurs de produits Nest surveillent et contrôlent leur système à l aide de n importe quel appareil qu ils ont à portée de main et de n importe quel endroit où ils se trouvent. Ces interfaces utilisateur connectées en réseau avec plusieurs points d accès sont les caractéristiques principales d un système moderne. Les nombreux exemples vont des enregistreurs vidéo numériques à usage domestique (DVR) aux automobiles modernes. Ces systèmes apportent aux utilisateurs le choix du lieu, du moment et de la manière dont ils interagissent avec leur système. Grâce à la facilité d utilisation des interfaces tactiles et à leurs capacités graphiques avancées, les appareils mobiles sont une plate-forme idéale sur laquelle construire des fonctionnalités d interface utilisateur distante. Les avancées de la technologie sans fil, telle que les réseaux 4G LTE haute vitesse et le WiFi quasi omniprésent dans certaines parties du monde, ne rendent l utilisation d appareils mobiles comme interfaces utilisateur distantes que plus attrayante. APPLICATIONS DANS DES SYSTÈMES DE MESURE ET DE CONTRÔLE Comme avec les systèmes de consommation, cette architecture d interface utilisateur moderne apporte beaucoup aux systèmes de mesure et de contrôle en autorisant l accès à distance et mobile à ses utilisateurs. Pour mieux comprendre quand les appareils mobiles peuvent être des interfaces utilisateur distantes, on peut classer les exigences selon trois grands types d utilisateurs de systèmes : l opérateur, le technicien et l administrateur. L opérateur interagit à proximité du système, généralement physiquement, sur le système même. Selon les besoins en sécurité du système, une connexion câblée entre le matériel de l interface utilisateur et le système peut être ce qu il y a de plus approprié. En voici quelques exemples : un PC ou un ordinateur à écran tactile fonctionnant comme l élément de traitement principal du système ou bien connecté à d autres matériels de mesure et de contrôle, ou encore un simple moniteur ayant des capacités d affichage. Le technicien est en charge de maintenir un ou plusieurs systèmes à l aide d un seul appareil portable. Cet appareil peut être un ordinateur portable, une tablette ou un smartphone exécutant des logiciels qui lui permettent de vérifier le statut du système et de diagnostiquer et corriger d éventuels problèmes. Le technicien relie le matériel au système en utilisant une connexion physique USB, le WiFi, le Bluetooth, le Bluetooth LE ou tout autre réseau ad hoc sans fil. Lorsqu il utilise une liaison sans fil, le technicien doit savoir exactement à quel système son appareil portable est connecté. Les stratégies

13 courantes pour ce type d exigences incluent les puces RFID, les codes barre ou les codes QR qui contiennent l adresse IP ou tout autre identificateur du système spécifique. L administrateur doit surveiller le statut d un ou plusieurs systèmes depuis un emplacement qui se trouve à une certaine distance physique, dans les mêmes locaux, à domicile ou n importe où dans le monde. À cette fin, une interface utilisateur qui apparaît dans un navigateur web ou une application mobile est la solution la plus appropriée pour disposer d un maximum de souplesse. Une exigence supplémentaire pour cet usage est de permettre aux appareils en-dehors du réseau d entreprise d accéder à un système au sein de ce réseau. Bien qu une connexion VPN puisse remplir cette spécification, un meilleur choix serait de permettre un échange de données entre le système et l interface utilisateur distante via un serveur intermédiaire. ARCHITECTURE ET IMPLÉMENTATION Lors de la conception de l architecture et de l implémentation d un système avec des appareils mobiles comme interfaces utilisateur distantes, les créateurs de systèmes doivent comprendre les diverses technologies et les compromis qu elles impliquent, tels que le nombre d utilisateurs et les exigences de performances qui peuvent ne pas leur être familières. Un système logiciel de mesure et de contrôle représente le meilleur choix lors de la mise en œuvre de cette architecture en raison de sa capacité à travailler avec différents types de connectivité. Ce logiciel de systèmes de base doit pouvoir exposer des interfaces permettant la surveillance et le contrôle à distance. La méthode la plus courante pour exposer ces interfaces est d utiliser ce qu on appelle des services web. La plupart des langages de programmation, notamment C++, JavaScript, Objective-C et G, peuvent à la fois créer des services web et s y connecter. Les applications distantes et les navigateurs web se connectent à ces services web afin de surveiller et de contrôler le système. Savoir s il faut créer des pages web multiplates-formes à l aide d outils tels que HTML5 et JavaScript ou des applications natives en utilisant des outils spécifiques à une plate-forme pour ios, Android ou Windows RT, dépend de l écosystème de l appareil mobile dans lequel le système s inscrit. Si une grande variété d appareils se connecte au système, une solution multiplates-formes telle que HTML5/JavaScript est certainement ce qu il y a de mieux. Si une variété plus réduite d appareils doit être supportée, ou si la meilleure expérience qui soit et des performances optimales pour l appareil en question sont requises, une approche spécifique à une plate-forme comme Objective-C pour ios et Java pour Android est préférable. AVANTAGES POUR LE CLIENT ET L UTILISATEUR L architecture d une interface utilisateur moderne avec de multiples points d accès, y compris l accès à distance via des appareils mobiles, peut être d une valeur précieuse pour les utilisateurs de systèmes de mesure et de contrôle. Les techniciens peuvent transporter un seul appareil mobile pour diagnostiquer et résoudre des problèmes survenant sur plusieurs systèmes, simplifiant ainsi leur flux de travail et réduisant les coûts d équipements. Quand les administrateurs et ingénieurs doivent surveiller un système à un moment critique, ils n ont plus besoin d être là où se trouve le système. Ils peuvent utiliser un appareil mobile d un emplacement sur le terrain, de chez eux le week-end ou en voyage à l autre bout du monde. En permettant l accès à des systèmes depuis n importe quel endroit et à n importe quel moment, les appareils mobiles ont pour fonction de simplifier la vie des utilisateurs de ces systèmes et de rendre ces personnes plus productives. Ordinateur de bureau avec navigateur web PC portable avec navigateur web Tablette avec application mobile ou navigateur web Smartphone avec application mobile ou navigateur web IU embarquée - A f fi c h a g el C D API de services web Serveur de services web Un logiciel système est le meilleur choix pour obtenir une architecture d interface utilisateur moderne car il permet de supporter différents types de connectivité. Logiciel système de base COMMUNICATION MOBILE 13

14 france.ni.com/trendwatch Révolutionner l enseignement de la technologie L époque où l on était en charge d un seul domaine technique ou scientifique touche à sa fin. Le temps de la création de systèmes complets et intégrés est arrivé. Observez les produits de consommation qui ont un impact sur notre vie quotidienne. Les voitures d aujourd hui comptent plus de 70 contrôleurs embarqués pour régler les performances d un moteur, à la volée. Certains de ces véhicules peuvent envoyer et recevoir des appels, fournir un système de navigation, conduire et se garer seuls. Les téléphones portables basiques sont en train de disparaître, remplacés par les smartphones qui sont dans toutes les poches, disposent de millions d applications et se connectent sans fil à un nombre grandissant d appareils. Grâce aux applications de smartphones, vous pouvez même contrôler le système de sécurité et d éclairage de votre maison quand vous êtes en vacances. Et ces exemples ne sont que la partie visible de l iceberg. Alors que pouvons-nous apprendre de ces innovations actuelles pour donner forme à un nouvel enseignement des sciences, de la technologie, de l ingénierie et des maths (STEM), et préparer les ingénieurs de demain à relever les grands défis de ce monde? Tout d abord, observez les éléments qui composent les innovations technologiques actuelles afin de comprendre ce qui les fait avancer : La puissance de traitement est abondante Avec la technologie moderne telle que les processeurs multicœurs et les FPGA, les systèmes peuvent traiter des signaux et faire des calculs arithmétiques en quelques nanosecondes. Et l histoire a démontré que les processeurs deviennent de moins en moins chers et de plus en plus rapides chaque année, leur permettant d être utilisés dans plus de produits qu ils ne l étaient dans le passé. Les capteurs sont plus intelligents Capturer un phénomène physique, puis le convertir en un signal électrique a donné lieu à des millions d applications. Les capteurs permettent aux systèmes électroniques d entendre, de voir, de toucher et d agir, ce qui a pour résultat d automatiser d innombrables décisions. Le logiciel est l instrument Un appareil ne se résume plus au matériel qui le compose. Le logiciel contrôle les fonctionnalités du matériel et peut le transformer en n importe quel appareil imaginable. Le smartphone est une prouesse technologique si l on considère toute la puissance concentrée dans cet appareil qui tient dans votre paume de main, mais nous savons tous que ce sont les applications qui le rendent vraiment révolutionnaire. Le monde est connecté sans fil De nos jours, l accès à Internet est omniprésent dans la plupart des régions développées du globe et permet de connecter les gens et les appareils quel que soit leur emplacement. Les câbles ennuyeux, fléau des ingénieurs électriciens pendant longtemps, ont récemment disparu grâce aux avancées dans le domaine des protocoles de communication sans fil et à la réduction des exigences d alimentation. Bien que tous ces éléments soient révolutionnaires individuellement, les combiner a induit encore plus d innovations. Rassembler les éléments de la communication, de l informatique et du contrôle en un seul système s est traduit par l essor des systèmes cyberphysiques. Ces systèmes cyber-physiques sont présents dans nombre d innovations actuelles et requièrent de nouvelles aptitudes de la part des ingénieurs sortis de l université, à qui l on demande d innover dès qu ils arrivent sur le marché du travail. ÉVOLUER EN INNOVANT À travers l histoire, les changements de cursus scolaires ont été possibles grâce aux idées avant-gardistes d une personne ou d un petit groupe de personnes, qui ont identifié un besoin dans la société. Ces pionniers ont ensuite recherché et testé leurs hypothèses pour les valider. Si leurs théories se vérifiaient, leurs techniques et stratégies étaient partagées avec d autres, qui les répliquaient à plus grande échelle. Cependant, ces théories et concepts n étaient pas partagés dans une salle de pause ou sur un tableau d affichage. Les professeurs d université ont intégré ces innovations dans leurs salles de classe. Ces innovations dans les domaines de l industrie et de la recherche ont inspiré des étudiants à développer les compétences requises pour obtenir leurs diplômes et entrer sur le marché du travail comme ingénieurs et scientifiques, individus dont la société avait besoin pour construire des ponts solides et des avions capables de traverser l Atlantique avec un seul plein d essence. La naissance de l ingénierie électrique, au 19è siècle, en tant que filière d étude à part entière, distincte de l étude de la physique, en est un exemple. Ce processus s est reproduit, notamment au cours des dernières décennies, avec par exemple l ingénierie biomédicale, devenue une filière d étude officielle. Ce changement est le fruit d un besoin en ingénieurs ayant des connaissances interdisciplinaires en ingénierie électrique et mécanique en plus d une compréhension de l anatomie et des pratiques médicales. D autres domaines tels que l ingénierie verte, l ingénierie environnementale et l électronique de puissance sont devenus populaires ces dix dernières années, alors que le monde se détache des combustibles fossiles et recherche des moyens de mieux exploiter et distribuer l électricité. Tandis que les étudiants d aujourd hui avancent dans leurs études et se préparent au monde du travail, les cours interdisciplinaires et

15 de conception deviennent de plus en plus importants. La loi d Ohm et les lois de la thermodynamique ne sont pas amenées à disparaître. Toutefois, apprendre à travailler en équipe et assembler des systèmes plus grands et plus complexes, composés d éléments cybernétiques et physiques sont des aptitudes qui gagnent en importance. Les étudiants doivent pouvoir à la fois mettre en pratique la théorie et pratiquer l ingénierie afin d apporter des résultats en un semestre, similairement à ce qu ils devront faire en entreprise une fois sortis de l école. NOUVELLES LEÇONS = NOUVEAUX RÉSULTATS Les outils utilisés par les étudiants pendant leurs études doivent développer leur apprentissage des principes fondamentaux en ingénierie et en sciences, de façon à ce qu ils puissent intégrer ces principes à des systèmes plus complexes et qu ils soient pertinents en entreprise afin d éviter toute redondance ou gaspillage de connaissances. Certaines universités à travers le monde ont déjà commencé à adapter leurs cursus de manière à préparer leurs étudiants à devenir des créateurs de systèmes cyber-physiques, recherchés sur le marché. Les étudiants en ingénierie mécanique à l université de Leeds au Royaume-Uni commencent leur programme avec des algorithmes de contrôle basiques, puis terminent avec des véhicules entièrement autonomes. L université de San Diego en Californie a lancé un programme de master qui intègre la conception pratique basée sur un modèle de systèmes sans fil cyber-physiques embarqués. Et les étudiants d Olin College dans le Massachusetts ont conçu un voilier entièrement autonome, censé traverser l Atlantique et qui utilise les toutes dernières technologies commerciales. Bien que mettre l accent sur la conception de systèmes au sein des cursus scolaires nécessite quelques ajustements au niveau des outils utilisés en cours et des objectifs d enseignement, les professeurs ont constaté que beaucoup de nouveaux étudiants gèrent ces ajustements avec brio car ils ont commencé leur apprentissage des concepts de conception de systèmes dès leur plus jeune âge. Les clubs et programmes de robotique scolaires, comme FIRST et la WRO (Olympiade mondiale de robotique), confrontent les étudiants aux principes fondamentaux de conception de systèmes à l école primaire et dans le secondaire. Ces ingénieurs en herbe construisent des robots, acquièrent des données à partir de capteurs, automatisent des décisions et contrôlent des actionneurs. Cela est prometteur car ces élèves se préparent à être les concepteurs accomplis et polyvalents de systèmes cyber-physiques de demain. Si on leur donne les bons outils, les projets appropriés et les conseils nécessaires, ils continueront à renforcer ces aptitudes au fil de leur scolarité. Au cours des 19 ème et 20 ème siècles, l innovation industrielle a donné naissance à la filière d ingénierie électrique, qui était auparavant une branche de la physique. Découverte scientique Innovation commerciale Adoption dans l enseignement 1752 Ben Franklin fait voler un cerf-volant attaché à une clé lors d un éclair 1844 Samuel Morse envoie le premier télégraphe électrique longue distance 1827 Ohm publie Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet et la loi d Ohm 1902 MIT crée le premier service de génie électrique 1883 L université de Cornell propose les premiers cours de génie électrique 1819 Ørsted et Ampère reconnaissent le phénomène d électromagnétisme 1882 Thomas Edison ouvre la première compagnie d électricité DC TU Darmstadt nomme le premier président du comité d ingénierie électrique au monde 1866 Werner Von Siemens développe le premier générateur industriel FUTURE OF STEM 15

16 france.ni.com/trendwatch 2014 National Instruments. Tous droits réservés. Big Analog Data, LabVIEW, National Instruments, NI, ni.com, et The Software is the Instrument sont des marques de National Instruments Corporation. Les autres noms de produits et de sociétés mentionnés aux présentes sont les marques ou les noms de leurs propriétaires respectifs. MATLAB est une marque déposée de The MathWorks, Inc

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