2012 RappoRt D activité

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1 2012 Rapport D activité

2 ÉDITO 1 CEA LIST : des développements numériques d excellence au service de l industrie par Karine Gosse, directrice de l institut CEA LIST Spécialiste de la conception des systèmes numériques, le CEA LIST réalise des développements technologiques d excellence pour le compte de partenaires industriels. Sa stratégie se structure autour de quatre points-clés. 1. Des efforts concentrés sur trois axes technologiques Le CEA LIST structure ses programmes et développements technologiques autour du manufacturing avancé, des systèmes embarqués et de l intelligence ambiante. Il a acquis dans ces trois domaines une masse critique qui lui permet d investir à long terme, de nouer des partenariats de haut niveau et de produire des résultats d excellence. Ses orientations et ses investissements s appuient sur des roadmaps collectives, conçues avec les meilleurs acteurs du monde académique. Elles fondent le socle technologique de l Institut, sur des thèmes parfois étudiés pendant 10 ans ou plus. En parallèle, l Institut s adapte à l évolution rapide des marchés et des besoins industriels avec des développements menés en cycle court. Cette capacité d adaptation contribue largement à la réussite de ses partenariats industriels. 2. Des plate-formes technologiques pour mutualiser équipements et développements Le CEA LIST compte plusieurs plate-formes technologiques dotées d équipements de pointe et dédiées à la recherche partenariale, avec des acteurs académiques ou industriels. La mutualisation des efforts et des moyens permet de les doter de matériels de pointe et de capitaliser les savoirs. Ces plate-formes jouent un rôle de facilitateur et d accélérateur d innovations : elles permettent de travailler sur des solutions plus complètes, d intégrer des briques technologiques, de tester des solutions avancées. À ces divers titres, elles dessinent les contours d un modèle d innovation ouverte, pratiqué aujourd hui par un nombre croissant d industriels. Ces plate-formes sont ouvertes aux entreprises de toutes activités et de toutes tailles, y compris les PME. Le CEA LIST développe des dispositifs adaptés aux moyens et aux impératifs de résultats à court terme de ces dernières. 3. Des partenariats industriels à long terme et des start-up Le CEA LIST consacre une part significative de ses efforts à de grands partenariats industriels pérennes et structurants, déclinés sur plusieurs années autour de nombreux thèmes de recherche. Il propose à l ensemble des industriels, du grand groupe à la PME, trois types de collaborations : des projets collaboratifs français ou européens, des accords bilatéraux et des laboratoires communs. Enfin, certains de ses travaux de recherche donnent lieu à des créations de start-up, portées le plus souvent par ses chercheurs. Ces start-up enrichissent l écosystème industriel et jouent un rôle de relais d industrialisation. Treize start-up ont été créées à ce jour, dont cinq les trois dernières années. 4. Un déploiement progressif en région Situé en région parisienne, le CEA LIST intensifie depuis début 2013 ses relations avec les industriels basés en régions, avec l ouverture d antennes CEA Tech en Pays de la Loire (Nantes), en Aquitaine (Bordeaux) et en Midi- Pyrénées (Toulouse). Objectifs : diffuser plus largement ses résultats de recherche et épauler les entreprises dans leurs efforts de compétitivité par l innovation. Ces antennes régionales utilisent d autres schémas de valorisation. Dotées de plates-formes applicatives, elles intègrent des briques technologiques, développées entre autres par le CEA LIST, dans de futurs produits industriels, pour les rendre rapidement plus innovants et performants. Elles peuvent solliciter les laboratoires du CEA LIST sur des projets plus complexes qui nécessitent de nouveaux développements technologiques. Mais elles restent les interlocuteurs principaux des industriels régionaux. Lire aussi pages 36 et 37.

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4 Sommaire 3 m ai re Une année d innovation(s) Manufacturing...5 Sécurité...7 Transports et mobilité... 9 Énergie...11 Santé LA R&D AU SERVICE DE L INDUSTRIE Manufacturing avancé Manipulation intelligente...16 Contrôle industriel...18 Systèmes embarqués...21 Architectures et logiciels embarqués.. 22 Ingénierie logiciels et systèmes Intelligence ambiante Multimédia, virtualité et interfaces Capteurs et information...30 Métrologie des rayonnements ionisants...32 Actualité des start-up Une stratégie pour la compétitivité CEA Tech en régions Innovation par le ressourcement Innovation ouverte Une année en chiffres Événements Thèses en cours et publications...44 Organigramme...52 Chiffres-clés Index

5 4 Une année d innovations Manufacturi QQuelques résultats de 2012 Sélection du projet CAPME UP dans le cadre du programme Investissements d avenir. Ce projet, porté par les trois instituts Carnot, CEA LIST Cetim et IFPEN, aide les PME du secteur manufacturier à accéder à un meilleur niveau technologique. Le CEA LIST intervient en particulier en contrôle non destructif, en robotique interactive et en intégration système. Création de la plate-forme de recherche et d innovation GERIM2. Elle vise à développer de nouveaux procédés de contrôle non destructif grâce à des équipements innovants. Elle soutiendra une recherche scientifique et industrielle partenariale de haut niveau en couvrant un large spectre de technologies CND. Développement d un bras robotique anthropomorphe adapté au travail en collaboration avec un opérateur humain. ASSIST possède 7 degrés de liberté et des transmissions mécaniques réversibles, permet une commande en effort et position et assure simplement des fonctions d anticollision. Il représente une nouvelle génération de robots pour le manufacturing flexible. Les travaux du CEA LIST pour le manufacturing Les compétences du CEA LIST couvrent : La simulation interactive et la réalité virtuelle, avec un ensemble d outils logiciels permettant de développer des applications en : Conception produit, optimisation/validation processus. Simulation robotique/cobotique. Etude tâche/poste de travail (lutte contre les TMS). Formation, préparation d intervention, gestion de crise. Avec le CEA LIST, l ambition du manufacturing avancé va plus loin et vise à améliorer l agilité, la réactivité, la qualité et la performance d une unité de production considérée dans sa globalité. Le contrôle non destructif (CND), reposant sur 3 «piliers» : Le logiciel CIVA intégrant des modules de simulation, d imagerie et d analyse pour la conception et l optimisation des méthodes d inspection. Les systèmes de contrôle innovant (capteurs et électronique de traitement) contrôle ultrasonore sans contact, imagerie ultrasonore adaptative, imagerie magnétique haute résolution et haute sensibilité, tomographie X robotisée multi-résolution. Les méthodes de caractérisation de matériaux (géométrie complexe, caractérisation de défaut, matériaux composites ). La robotique et la cobotique, afin de proposer de nouveaux outils de production plus agiles, aptes à travailler en coopération avec l homme et intégrant une commande en position et effort (exosquelettes, robot collaboratif, système de téléopération), ainsi que la vision.

6 une année d innovations/manufacturing 5 ng Technologies POUR L INDUSTRIE : Manufacturing Les perspectives de R&D L ambition du manufacturing avancé va plus loin : il vise à améliorer l agilité, la réactivité, la qualité et la performance d une unité de production considérée dans sa globalité, puisque tous ses équipements (matériels et logiciels) sont interconnectés. Le CEA LIST est un acteur clé de cette approche en France. Elle comporte un volet d intégration du système de production dans un modèle cohérent, de simulation de ses processus humains et techniques, de gestion de la connaissance pour capitaliser l expertise des acteurs humains et proposer des solutions innovantes. Quelques exemples : concevoir un modèle fonctionnel de «système d usine» pour améliorer la traçabilité et l automatisation, améliorer le fonctionnement d une ligne de production en optimisant la position des opérateurs et leurs déplacements, aider les opérateurs de maintenance dans leur tâche grâce à un système de guidage en réalité augmentée. Parmi nos partenaires industriels AREVA, BA Systèmes, Dassault, EADS, EDF, Extende, Gaussin Manugistique, Haption, M2M, PSA, Rb3D, Renault, Sarrazin Technologies, Snecma, Technip.

7 6 Une année d innovations Sécurité QQuelques résultats 2012 Développement d une méthode d analyse en cybersécurité pour la validation des hyperviseurs. Ces logiciels gèrent l allocation des ressources et l exécution des applications en cloud computing. Les propriétés de sécurité attendues sont formalisées puis validées selon une stratégie d analyse formelle. Cette technologie, applicable à tous les services d exploitation d un système cloud, et intéressent tous les acteurs du domaine. Fourniture à Saphymo d une solution industrielle de discrimination neutron gamma à base de scintillateurs plastique à bas coût. Le système développé par le laboratoire répond à la problématique de pénurie d Helium-3 (qui a entraîné une hausse d un facteur 10 du prix des détecteurs He-3) pour les portiques de détection de matières radioactives. L industrialisation du système de discrimination neutron/gamma s appuie sur le contrat de licence signé avec la société Saphymo, qui intègre 2 brevets. Coordination du projet européen Virtuoso. Objectif : fournir une boîte à outils aux autorités en charge de la sécurité des frontières, dans le but d identifier au plus tôt les signes de danger et les menaces stratégiques. Le CEA LIST a développé plusieurs technologies (résumé automatique de texte ) et notamment deux applications dans le domaine de la sécurité : l extraction d information sur les événements terroristes et la géolocalisation de documents multimédias. Coordination du projet européen STANCE sur le développement de nouvelles techniques d analyse de logiciels pour la cybersécurité. L objectif est d établir l absence de failles de sécurité dans les couches logicielles sensibles pour les différents langages de développement (C, C++, Java). Ceux-ci sont largement utilisés dans des applications grand public, industrielles ou de défense. Voir aussi page 25. Participation au projet E-Poolice, qui a pour objectif de développer une plate-forme d analyse de l environnement (web, notes de synthèses, comptes rendus de réunions ) à la recherche de signaux faibles indicateurs de l émergence de crimes organisés. Les travaux du CEA LIST pour la sécurité Les activités du CEA LIST dans le domaine de la sécurité se focalisent sur quatre thématiques complémentaires : le développements de capteurs et de systèmes d instrumentation NRBC, le développement d outils de fouilles de données textuelles et images, afin d extraire du Web ou de base de données des informations en lien avec la sécurité, la vidéosurveillance dans un contexte de réseau de caméras, la cybersécurité. NRBC. Le CEA LIST développe de nouveaux capteurs et des systèmes innovants pour la détection de rayonnements nucléaires (bêta, gamma et neutrons), répondant à des demandes industrielles du secteur nucléaire et pour la non prolifération de matières radioactives. Sécurité informatique et cybersécurité. Le CEA LIST développe des outils et des savoir-faire pour l analyse de sûreté depuis plus de 15 ans. Ses premiers travaux portaient sur des applications temps réel critiques, notamment dans le nucléaire et les transports. Par rapport aux méthodes classiques à base de tests, ces programmes ont la particularité de couvrir la totalité des comportements possibles d une application. Ils apportent la preuve mathématique que cette application ne comporte pas de faille. Ils peuvent aussi être combinés avec les outils de vérification d autres acteurs industriels ou académiques.

8 une année d innovations/sécurité 7 Technologies POUR L INDUSTRIE : sécurité Depuis 2011, l activité s élargit à la détection des failles de sécurité dans le domaine de la cybersécurité : l enjeu est de garantir la confidentialité et l intégrité des données, ainsi que la disponibilité des services. Les perspectives de R&D Au-delà des systèmes informatiques, ce sont bientôt les systèmes industriels (usines de production, distribution d énergie ou d eau), les objets du quotidien (smartphones, tablettes, voitures) et les services dématérialisés (banque, santé ) qui devront fournir des garanties de sûreté, de disponibilité et de protection des données. Le CEA LIST élargit ainsi son activité au domaine de la confiance numérique. Au-delà des systèmes informa tiques, c est avec les systèmes industriels, les objets du quotidien et les services dématérialisés que le CEA LIST élargit son activité au domaine de la confiance numérique. Parmi Nos partenaires industriels Areva, Canberra, EADS, EDF, Gemalto, Safran, Saphymo, Thales.

9 8 Une année d innovations Transports e QQuelques résultats de 2012 Développement d une chaîne d outils intégrés pour systèmes embarqués pour Renault. Cette chaîne supporte un processus continu sur le cycle de développement, de l expression et l analyse des exigences système à la conception logicielle au niveau AUTOSAR des composants embarqués dans les véhicules. Objectifs : sûreté et performances. Création de deux start-up sur des technologies applicables au domaine des transports : Krono-Safe propose un système d exploitation sécuritaire, ainsi que des outils de conception associés pour le développement d électronique embarquée répondant à des exigences de sûreté de fonctionnement. WiN MS détecte et localise avec précision les défauts des faisceaux de câbles électriques grâce à des outils originaux de diagnostic et de monitoring. Ses premiers clients sont dans le domaine aéronautique et ferroviaire. Les travaux du CEA LIST pour les transports Les systèmes et logiciels embarqués représentent 30% de la valeur d un véhicule et ce chiffre va encore augmenter. Dans l automobile en particulier, les systèmes embarqués jouent un triple rôle d assistance, d autonomie et de sécurité au bénéfice de l usager. Le CEA LIST contribue aux efforts d innovation des industriels sous trois formes : Conception et sûreté de fonctionnement des systèmes embarqués : l objectif est de développer des calculateurs et des architectures intrinsèquement sûrs, à haut niveau de performance et de compétitivité. L Institut s est appuyé sur son expérience des applications nucléaires pour développer le système d exploitation PharOS, qui garantit la sûreté des systèmes embarqués. Sur ce sujet, il a coopéré notamment avec Valeo et Delphi. Outils d ingénierie système et logiciel : les outils Papyrus et Frama-C fiabilisent la démarche de conception d applicatifs dédiés aux transports notamment chez Airbus. Ils garantissent une augmentation de la qualité et des performances des logiciels ainsi qu une réduction des coûts et délais de développement. Papyrus est positionné sur le processus de conception système, jusqu au développement de logiciels critiques. Frama-C est un outil d analyse statique qui prédit tous les comportements possibles d un applicatif et détecte ses failles de sécurité. Interfaces homme-machine et aides à la conduite : les travaux de l Institut portent à la fois sur la vision, la réalité augmentée et les interfaces tactiles et haptiques à retour d effort. Le CEA LIST contribue aux efforts d innovation des industriels sous trois formes essentielles : conception et sûreté de fonctionnement des systèmes embarqués, outils d ingénierie système et logiciel, interfaces homme-machine et aides à la conduite.

10 une année d innovations/transports et mobilité 9 t mobilité Technologies POUR L INDUSTRIE : Transports et mobilité Les perspectives de R&D La sûreté de fonctionnement des systèmes embarqués constitue un enjeu majeur pour le domaine des transports. Le CEA LIST et ses partenaires industriels (Krono-Safe, Esterel Technologies, All4Tec) apporteront une réponse à cet enjeu sur la base de ses technologies PharOS, Papyrus ou Frama-C. L intégration de technologies multicoeurs et le many-cœurs constituent également un axe majeur de R&D, tant sur la conception de ces calculateurs que sur les outils logiciels associés. Dans le domaine de la vision embarquée, l intégration massive des caméras dans les systèmes de transport offre un champ d application important pour le développement de systèmes d analyse de l environnement et de nouveaux services de mobilité. Les interfaces homme-machine (IHM) contextualisées en support de la mobilité représentent également un domaine d innovation important grâce aux IHM tactiles et haptiques et la réalité virtuelle associées aux technologies de fouille de données pour simplifier/adapter l information. Parmi Nos partenaires industriels Airbus, All4Tec, Delphi, Esterel Technologies, Krono-Safe, M3S, Michelin, PSA, Renault, Scaleo chip, Sherpa Engineering, Valeo, WiN MS, Zodiac.

11 10 Une année d innovations Énergie QQuelques résultats de 2012 Solution faible coût d estimation de l état de charge d une batterie de véhicule électrique. Validation par méthodes «hardware in the loop» de stratégies prédictives pour l aide à la conduite économique de véhicules électriques. Analyse de risque d un réseau de distribution d électricité et de ses constituants : système électrique, communication, système d information. Exploitation temps réel sûre et performante d un système électronique embarqué dans un dispositif de coupure critique d un réseau moyenne tension. Pilotage optimisé de systèmes thermiques complexes par une approche multi-agents distribués. Développement d un module intelligent à base de capteurs à magnétorésistance géante pour la mesure de tension d une pile à combustible. Protocoles de communication fiables et optimisés pour les réseaux de capteurs sans fils utilisés en gestion intelligente de l énergie dans les bâtiments. Les travaux du CEA LIST pour l énergie Le CEA développe les technologies numériques en support au déploiement des réseaux électriques intelligents. Grâce à la mise en place de capteurs et d infrastructures de pilotage distribués, la gestion des actifs et des flux énergétiques repose sur des logiciels d optimisation (production, stockage, points de consommation, réseaux de distribution, ) en temps réel. La mise en place de systèmes d informations ouverts et interconnectés permet par ailleurs d intégrer de nouveaux services de gestion de l efficacité énergétique et environnementale du système électrique. Les principaux verrous technologiques à lever : les outils de conception et d optimisation des architectures, de plus en plus complexes et distribuées. Le CEA développe les technologies numériques en support au déploiement des réseaux électriques intelligents et d ambitieux projets de R&D à visée prospective sont à l étude. l intelligence embarquée dans les équipements de collecte des données et de pilotage. Le traitement massif des données énergétiques à des fins de modélisation, de simulation, d aide à la décision et d optimisation. Les protocoles de communication performants, robustes et efficaces, avec un haut niveau de fiabilité.. La sûreté de fonctionnement et la sécurité du système d information «Smart Grid». l efficacité énergétique des infrastructures par une conception optimale en termes de consommation,

12 une année d innovations/énergie 11 Technologies POUR L INDUSTRIE : Énergie d architectures de calcul et de logiciels embarqués (Green IT). Les travaux s orientent vers les domaines porteurs d innovations tels que les éco-quartiers et les nouveaux usages de l énergie : bâtiments connectés et intelligents (Smart Buildings), mise en réseau des systèmes de production, de consommation et de gestion d énergie distribués (Smart Grids), déploiement des véhicules électriques, etc. Les perspectives de R&D Les grands axes d innovations sur lesquels le CEA LIST portera ces efforts de R&D sont : la cybersécurité et la sûreté de fonctionnement des réseaux énergétiques intelligents, en travaillant sur l architecture des systèmes numériques communicants, les protocoles de communication, le crypto-calcul, les systèmes d exploitation déterministes le traitement de l information et le pilotage des systèmes de gestion de l énergie, la complexité portant sur le passage à l échelle : Big data et gestion de systèmes fortement distribués. Parmi nos partenaires industriels AREVA, Courb, EDF, Schneider Electric.

13 12 Une année d innovations Santé QQuelques résultats de 2012 Automatisation du laboratoire de microbiologie : la collaboration avec BioMérieux, engagée en 2010 avec des travaux de R&D très amont, a débouché sur l implémentation de plusieurs algorithmes dans le produit commercial. Ces travaux ont mobilisé 9 ingénieurschercheurs et étaient axés sur des algorithmes de traitement d image et d analyses de spectres afin de détecter de manière automatique la présence de bactéries sur des boîtes de Pétri. Technologies numériques pour la radiothérapie : un partenariat de recherche a été signé avec Elekta, fournisseur mondial de premier plan de systèmes de traitement du cancer, dans le domaine de la radiothérapie. Les premières collaborations porteront sur la caractérisation dosimétrique complète des équipements de radiothérapie d Elekta (accélérateurs, collimateurs multi-lames, imageurs EPID) à l aide de simulations Monte Carlo. Le CEA LIST intervient également en métrologie et en contrôle qualité. Optimisation de la dosimétrie médicale : une collaboration a débuté avec la société esprimed, spécialiste en radioprotection et en imagerie médicale. Objectif : mettre en place des solutions innovantes pour optimiser les doses de rayonnement reçues par les patients et limiter celles reçues par le personnel. Le partenariat inclut le développement d outils et de logiciels, ainsi que l application des technologies de réalité virtuelle pour le calcul simplifié de la dose (temps réel) et/ou de la distribution de dose. Les travaux du CEA LIST pour la santé Le CEA LIST lève des verrous technologiques dans les chaînes de valeur de la santé en intégrant des solutions à haute valeur ajoutée. Elles font appel à ses expertises en capteurs, en logiciels, en robotique et en interfaces sensorielles. Il entretient des liens étroits avec les industriels, les cliniciens (AP-HP, CHU, ) et les centres de recherche académique (CEA, INSERM, ). Il dispose sur ses plate-formes DOSEO et MobileMii d outils et d équipes de pointe en radiothérapie et en télévigilance. Il travaille en particulier dans les trois domaines suivants : Technologies de la radiothérapie et de l imagerie : équipements et dispositifs médicaux, méthodes et logiciels pour la simulation et la modélisation, l analyse d image (TEP, spectroscopie) et la personnalisation des traitements, notamment en radiothérapie, mesure des paramètres vitaux et des biomarqueurs. Analyse massive de données pour l aide au diagnostic médical : Le CEA LIST lève des verrous technologiques dans les chaînes de valeur de la santé en intégrant des solutions à haute valeur ajoutée. Elles font appel à ses expertises en capteurs, en logiciels, en robotique et en interfaces sensorielles. aide au développement du médicament et à l industrie pharmaceutique : taux d efficacité, toxicité, time to market, coût et calendrier des développements diagnostic in vitro et/ou in silico. Dispositifs TIC d assistance aux personnes âgées et handicapées : robotique pour la santé : robotique chirurgicale, positionneurs, porteurs assistance aux personnes et télémédecine.

14 une année d innovations/santé 13 Technologies POUR L INDUSTRIE : SANTÉ Les perspectives de R&D Le CEA LIST s implique dans la médecine personnalisée et la médecine digitale : interfaces sensorielles couplées à des objets c o m mu ni c an t s, outils d aide à la décision pour le médecin, capables d agréger et de traiter des informations telles que questionnaires médicaux, paramètres biologiques, marqueurs sanguins ou urinaires etc., outils de modélisation et de simulation pour le choix des traitements, technologies de cryptage, de stockage, de sécurisation des données médicales, capteurs et logiciels pour suivi de tests compagnons. Il améliore les outils utilisés par les patients (rééducation, aide à l autonomie pour personnes handicapées ou âgées) et les médecins : plate-formes d imagerie multimodales, robots de formation au geste chirurgical, interfaces à retour haptique pour la précision du geste chirurgical... L Institut adapte ses recherche à l évolution du sec teur santé vers le bien-être, avec plusieurs développements, notamment dans les domaines cosmétique ou agro-alimentaire. Parmi Nos partenaires industriels BA Systèmes, biomérieux, Elekta, Endocontrol, esprimed, General Electric Healthcare, Kinova, Robosoft, SQI, Therenva.

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16 LA R&D AU SERVICE DE L INDUSTRIE/ Manufacturing avancé 15 Manu facturing avancé 15Le CEA LIST maîtrise l ensemble des technologies qui permettent aux industriels de produire avec plus d agilité, de réactivité, de performance et de qualité. Il y associe de fortes compétences algorithmiques en réalité augmentée, gestion de la connaissance et orchestration de processus, pour donner au manufacturing toute sa valeur ajoutée. Les trois principaux domaines abordés sont : le contrôle non destructif (CND) : modélisation de phénomènes physiques, simulation du CND, reconstruction des données de contrôle, procédés innovants, (acoustiques, électromagnétiques, ondes guidées ), méthodes de traitement embarquées, capteurs innovants, vision 3D, la réalité virtuelle et augmentée : études d ergonomie des postes, faisabilité de gestes de maintenance, implantation de chaînes, formation des opérateurs la robotique interactive : télémanipulation, téléopération, robotique mobile, robotique collaborative

17 16 Avec ses 24 degrés de liberté, sa cinématique anthropomorphe et sa remarquable dextérité, le nouveau dispositif robotique du CEA LIST surpasse de loin les meilleurs préhenseurs à pinces. Il réalise certaines tâches réservées jusqu ici à la main humaine : préhension et manipulation sans casse d objets fragiles, réorientation dans l espace des objets saisis, etc. Avancée scientifique Le manipulateur robotique se rapproche de la main humaine Les avancées réalisées sur ce manipulateur, dans le cadre du projet européen FP7 Handle, reposent sur plusieurs choix de conception. Le principal est l adoption de la cinématique de la main humaine, avec ses 24 degrés de liberté : personne n a jamais fait mieux en matière de préhenseur universel. Second choix : la transmission du mouvement est assurée par un réseau mécanique de corps, de tendons et de poulies, garant de la légèreté et de la flexibilité d utilisation du système. Des mouvements précis et fluides Pour éviter les phénomènes de frottement et d hystéresis, qui rendraient les mouvements saccadés et imprécis, le routage des tendons a été optimisé. Ils sont courts, puisque les moteurs sont placés au plus près des doigts, dans la paume. Et leurs points de tangence sur les poulies restent toujours sur l axe de rotation des flexions des doigts. Enfin, les transmissions mécaniques sont réversibles pour affiner encore la perception des efforts au niveau des actionneurs. Trois brevets ont été déposés et plusieurs contacts industriels sont en cours. Le projet européen s est achevé début 2013 mais l Institut poursuit ses travaux sur des stratégies de commande haut niveau, pour calculer les forces de contact nécessaires à la manipulation robuste d objets. Pour les premières applications visées, en robotique collaborative et assistance au handicap, le dispositif présente déjà un haut niveau de qualification qui lui ouvre bien des portes. Enjeu Réaliser un dispositif robotique industriel capable d accomplir certaines tâches de précision de la main humaine. Difficultés rencontrées Diviser par deux la taille des actionneurs afin de les placer dans la paume de main, au plus près des articulations. Déporter le contrôle-commande du dispositif hors de la main. Concevoir une main autonome, raccordable par plug-in à tout type de bras manipulateur. Trois brevets déposés Il devient ainsi possible de saisir et de manipuler une ampoule électrique sans la casser. Ou mieux encore, de réaliser des tâches de manipulation dans la main ( in hand manipulation ) : par exemple, tourner en sens inverse une ampoule tenue dans la paume. Par rapport aux préhenseurs à pinces, les fonctions offertes et l adaptabilité à diverses tâches est incomparable. Applications Fonction de «troisième main» sur les chaînes de montage et d assemblage, pour préparer et guider le geste de l opérateur. Assistance au handicap physique.

18 LA R&D AU SERVICE DE L INDUSTRIE/ Manufacturing avancé/ 17 Manipulation intelligente René-Paul Benard, directeur du développement commercial de SEIV (Groupe Alcen) «Les chercheurs comprennent notre logique d industriels» «Notre développement repose en grande partie sur l innovation, qu elle soit technologique ou portée par des produits dont nous ne maîtrisons pas toujours les compétences : capteurs, traitement du signal, systèmes interactifs etc. Pour sécuriser un projet majeur, nous nous sommes tournés vers le CEA LIST, qui nous avait démontré sa capacité à porter nos actions de R&D. Cette fois encore, tout se passe au mieux. Les chercheurs comprennent notre logique d industriels, ce qui n est pas si fréquent. Ils se mettent à la place de l utilisateur, intègrent ses contraintes sur site, font preuve de pragmatisme et de réactivité. Le calendrier est respecté : nous avons déjà dévoilé un premier démonstrateur à notre client et effectué une démonstration de concept lors d un salon professionnel.» Le bras robotique léger gagne encore en sécurité Les stratégies de commande d un bras robotique léger à 7 degrés de liberté ont été améliorées pour apporter plus de sécurité et de performance. Les vibrations mécaniques lors de mouvements à grandes dynamiques sont nettement réduites. Le seuil de détection des collisions a été abaissé : il suffit d un couple 4 fois plus faible pour provoquer un arrêt d urgence. Simulation interactive de fumées : un rendu toujours plus réaliste Le CEA LIST a simplifié la méthode de discrétisation numérique qu il utilise pour simuler la propagation de fumées en milieu industriel. Le temps de calcul est réduit de 25 %, ce qui permet de modéliser la fumée, sa température et sa concentration avec une maille élémentaire plus réduite, donc plus précise. Avec ces avancées, la cohabitation sûre entre un bras robotique et un opérateur humain devient une perspective réaliste. Plusieurs contacts industriels sont d ailleurs en cours. D autres améliorations se préparent, axées cette fois sur les stratégies de réaction suite à une détection de collision. Elles seront notamment exploitées dans le cadre de l IRT Jules-Verne de Nantes. Les utilisateurs bénéficient ainsi d un rendu physique plus réaliste. La simulation peut être utilisée pour prévenir des risques sur sites industriels ou urbains, optimiser des écoulements gazeux, réduire l exposition d opérateurs... Elle associe la propagation des fumées proprement dites et leurs interactions avec les objets complexes environnants. Des discussions sont en cours avec plusieurs partenaires pour une exploitation de cette technologie.

19 18 Parmi les futurs réacteurs nucléaires de génération IV, le prototype ASTRID porté par le CEA utilisera le sodium comme fluide caloporteur. Mais comment inspecter leurs cuves pendant les arrêts réglementaires, alors qu elles seront remplies d un liquide opaque et chauffé à 200 C? Réponse de l Institut : développer des capteurs multiéléments à ultrasons capables d imager des parties immergées du réacteur plutôt que des points isolés, en s appuyant sur les moyens de simulation développés au sein de la plateforme logicielle CIVA. Avancée scientifique Des outils d inspection qui «voient» dans le sodium à 200 C Des ultrasons générés directement dans le sodium L opacité du sodium ne permettant pas d inspecter le réacteur avec des moyens optiques, l utilisation des ultrasons a été retenue comme solution technologique par les chercheurs. Les nouveaux capteurs multi-éléments proposés par l Institut présentent une innovation par rapport aux capteurs conventionnels piézoélectriques utilisés jusqu ici pour générer des ondes ultrasonores. Les ultrasons sont générés directement dans le sodium, sans problème de mouillage (mauvaise transmission des ultrasons dans le sodium liquide), grâce à l interaction entre les courants de Foucault générés par une bobine et le champ magnétique statique produit par un aimant permanent. La simulation a permis de concevoir et d optimiser les capteurs en élaborant une disposition optimale des bobines au sein du boîtier. Le capteur comprend huit éléments : chacun d entre eux émet une onde acoustique qui en se superposant aux autres contributions, forme une onde qui se propage dans une direction donnée. L intérêt? Éviter de multiplier les déplacements mécaniques du capteur et imager une région du réacteur à partir d une position unique. Télémétrie : bon pour le service Le capteur multi-éléments a été testé dans une cuve sodium située sur le centre du CEA Cadarache. Les fonctions de télémétrie et d imagerie ont été évaluées : la précision obtenue est bonne et le capteur s est avéré robuste malgré la température élevée du sodium. En 2013, d autres tests seront menés pour évaluer le potentiel du capteur pour la détection de fissures dans des pièces métalliques immergées en sodium. la plate-forme CIVA sera mise à contribution pour améliorer encore les performances de la méthode et un nouveau capteur sera développé. D ores et déjà, ce capteur se démarque : grâce à ses multiples éléments, il permet d imager des zones d une centaine de pixels, livrant ainsi aux contrôleurs des vues d ensemble plus parlantes que des points isolés. L enjeu Développer des outils d inspection adaptés aux cuves des réacteurs de génération IV, remplies de sodium à 200 C. Les difficultés rencontrées Éviter les problèmes de mouillage des capteurs ultrasons piézoélectriques. Concevoir une instrumentation opérationnelle à 200 C. Obtenir des mesures précises au millimètre. Les applications Inspection de cuves de réacteurs nucléaires au sodium.

20 19 LA R&D AU SERVICE DE L INDUSTRIE/ Manufacturing avancé/ Contrôle industriel Laurent Pomié, chef de projet chez Technip Subsea «Le CEA LIST nous aide à capitaliser sur nos innovations» «Notre nouvelle technologie de canalisation sousmarine chauffante pour le transport d hydrocarbures en eaux profondes doit permettre de faire fondre les bouchons d hydrates (mélange solide d hydrocarbures et d eau) qui se forment dans certaines conditions et peuvent bloquer la production. Le CEA LIST nous aide à encore mieux promouvoir cette innovation : grâce aux ondes acoustiques guidées à longue portée, il serait possible de détecter et de caractériser de tels bouchons, parfois longs de plusieurs centaines de mètres. Nous pourrions alors ajuster précisément la puissance de chauffage pour les dissoudre très progressivement, sans risque d endommager la canalisation.les premiers essais en laboratoire sont probants. Nous visons une mise sur le marché d ici 3 à 5 ans. Le LIST nous apporte de nombreuses compétences dans ces domaines technologiques nouveaux pour nous.» Tri des déchets : la fluorescen ce X tient les hautes cadences Des déchets plastiques de petite taille (jusqu à 1 cmc) défilant à 3 mètres par seconde peuvent être triés par adjonction de traceurs à base de terre rare, à une concentration de l ordre de quelques centaines de ppm, et détection par fluorescence X haute cadence. une méthode de CND sur mesure pour une structure métallurgique complexe une méthode de contrôle ultrasonore spécifique a été développée pour inspecter la soudure d un piquage du circuit primaire d une centrale belge. La géométrie évolutive du piquage et le matériau, qui fournit des mesures très bruitées, empêchaient l utilisation de capteurs conventionnels. Les chercheurs ont conçu un capteur multiélément articulé capable d épouser les rayons de courbure du congé (50 mm), et fonctionnant avec une fréquence adaptée à la granulométrie de la structure (500 khz). La trajectoire de contrôle, l inclinaison du capteur CIVA simule des cas toujours plus complexes un nouveau module CIVA permet désormais de simuler des configurations de contrôle à forte complexité (ondes rasantes, interactions complexes, soudures anisotropes ) grâce au couplage des méthodes semianalytiques de CIVA avec le code éléments finis ATHENA développé par EDF R&D. Ce dernier, basé sur une discrétisation numérique des modèles physiques complets, demande davantage de temps de calcul mais intègre tous les phénomènes physiques et répond à de nombreux cas sans solution jusqu ici. Pour garantir des temps de calcul raisonnables, le module ne recourt aux méthodes numériques que pour les La technologie continue d être améliorée. Elle est en cours d industrialisation. Elle ouvre de nouvelles possibilités de recyclage des matériaux polymères sombres, impossibles à trier avec les technologies actuelles. Elle est aussi applicable au tri des déchets métalliques. Ce projet de recherche ANR est notamment mené avec Pellenc ST, n 2 mondial des machines de tri des déchets, Plastic Omnium et Renault, tenu en tant que constructeur automobile à favoriser le recyclage de ses véhicules. et les paramètres acoustiques ont été optimisés puis validés sur la plate-forme de simulation CIVA. Les performances obtenues et validées expérimentalement permettent de détecter les défauts recherchés, en respectant les exigences de la réglementation en vigueur. parties de la pièce qui le nécessitent. Il est le résultat d une collaboration CEA-EDF et a déjà été livré à plusieurs industriels, dont EDF qui l exploite pour des dossiers de qualification.

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22 R&D AU SERVICE DE L INDUSTRIE/ Systèmes embarqués 21LA Le CEA LIST spécifie et développe des matériels et des logiciels pour systèmes embarqués. Il dispose de méthodes et d outils pour vérifier leur niveau de sûreté, de sécurité, de fiabilité et de performance. Ses projets sont menés avec des industriels de l énergie, de l avionique, de l aérospatiale, de l automobile et du ferroviaire. Depuis quelques années, il travaille aussi pour la santé et les télécoms. Ses principaux atouts résident dans : l intégration des aspects architecture, matériel et logiciel, au service de la performance globale du système, la maîtrise des systèmes embarqués complexes, par exemple multifonctions, à forte puissance de calcul (gestion du big data) ou critiques en termes de sûreté, l utilisation de Papyrus et Frama-C, des plate formes Open source stables et pérennes pour la conception, la modélisation et la validation de systèmes. L expertise du CEA LIST en systèmes embarqués lui vaut de travailler de plus en plus pour des industriels étrangers. 21 Systèmes embarqués

23 22 Avancée scientifique Applications sur architectures parallèles : comparez avant de développer modèle de programmation parallèle. Bien qu utilisée très précocement dans le flot de conception, l écart de performances entre prédiction et exécution réelle est minime : moins de 20 % d erreur pour une application de détection de piétons développée au CEA LIST. La méthodologie d évaluation conçue par le CEA LIST permet de prédire en quelques jours les performances d un programme s exécutant sur des calculateurs parallèles. Une petite révolution : cette prédiction était jusqu à aujourd hui difficile et imprécise alors que l écart àentre les puissances de calcul théorique et effective dépasse souvent 50 %. À quoi bon investir sur des calculateurs parallèles si la puissance de calcul espérée n est pas au rendez-vous? Pourtant, aujourd hui, cette déception est fréquente. Les développeurs travaillent sans connaissance des performances attendues, avec des choix de matériel a priori et des performances effectives connues 3 mois plus tard. Il arrive alors que la puissance de calcul mesurée soit inférieure de 70% aux spécifications préliminaires! Moins de 20% d erreur entre puissance prédite et mesurée L arrivée d une nouvelle méthode d évaluation sur la plateforme Systèmes Embarqués du CEA LIST change la donne. Il devient possible, avant de se mettre à l ouvrage, de comparer plusieurs triplets programme/calculateur/ un «noyau», des points chauds, une signature Pour réaliser ce benchmarking, les chercheurs utilisent des fragments ou «noyaux» de programmes. Ces noyaux sont définis à travers une démarche d expert qui identifie les fonctions élémentaires représentatives de l ensemble des comportements d un domaine applicatif ; par exemple, la localité de données, la régularité des flots d instructions, l ordre des opérations et le type de parallélisme, etc. Le comportement de chaque noyau est défini à travers une dizaine de paramètres qui déterminent sa «signature». Partant d une application complète, les outils identifient les points chauds, c est-à-dire les régions de code qui vont consommer le plus de temps lors de l exécution. Une signature de ces points chauds est alors extraite et il est alors possible de rechercher dans la base de données les noyaux exhibant les mêmes comportements puis de simuler l exécution des noyaux similaires pour extrapoler les performances du programme complet. Dans sa version actuelle, cette méthode répertorie une douzaine de noyaux applicatifs (issus du traitement d images, de l analyse de contenu, de la tomographie ), six calculateurs parallèles et trois modèles de programmation : OpenMP, Pthread-Farming et OpenCL. Il est utilisable par les partenaires industriels de l institut mais n est pas sur le marché. L enjeu Optimiser la performance de calcul d une application parallèle en choisissant un calculateur et un modèle de programmation parallèle avant de la développer. Les difficultés rencontrées Extraire de chaque programme les «noyaux» les plus représentatifs. Prédire la future puissance de calcul avec une précision élevée. Les applications Les premières exploitations concernent la vision embarquée et la fusion de capteurs mais tous types d applications de traitement de données sont envisageables.

24 23 LA R&D AU SERVICE DE L INDUSTRIE/ Systèmes embarqués/ Architectures et logiciels embarqués Marc Pollina, président de M3 Systems «Intégrer le traitement de l image à celui du signal» «M3 Systems est un spécialiste des études et de l ingénierie du traitement du signal radio pour les secteurs du spatial, de l aéronautique et de la défense. Nous préparons une évolution majeure : élargir notre activité aux métiers du traitement de l image, et étendre notre offre à des ASICs ou cartes intégrées qui associeront le signal radio et l image. Nous travaillons avec plusieurs laboratoires de recherche. Mais c est avec le CEA LIST, dans le cadre d un laboratoire commun, que nous menons ce projet stratégique : ils développent de vraies technologies industrielles, bien au-delà du simple prototype de R&D ; et ils pourront nous accompagner dans l intégration électronique de nos futurs produits.» Diagnostic de câbles électriques : premiers déploiements dans l aéronau tique et le ferroviaire L institut a accompagné WiN MS, start-up créée début 2012, dans sa démarche de transfert industriel de deux systèmes de diagnostic de câbles. Le premier, livré à Lufthansa, divise par 5 les temps de recherche et d intervention en cas de panne électrique sur un avion. Le second est déployé sur un site-test de la SNCF Circuits neuromorphiques : une démonstration pour la surveillance d autoroutes une démonstration d architecture de calcul neuro-inspirée à base de technologie mémoire avancée (PCRAM) a été menée sur une séquence vidéo montrant une autoroute. A l aide d une règle d apprentissage, le système parvient à identifier les phénomènes répétitifs (passage des véhicules) de manière autonome. C est la première étape vers la détection des événements exceptionnels : apparition d un piéton, arrêt d une voiture en pleine voie, etc. L architecture de calcul compte 2 millions de dispositifs synaptiques. Elle peut Exécuter des programmes sur des données chiffrées, c est possible Avec son prototype de crypto-calcul, utilisé dans un premier temps sur des algorithmes élémentaires (calcul de discri minant, somme sur un tableau, tri à bulle, ), l Institut montre qu il est possible d exécuter des programmes sur des données chiffrées avec des temps de calcul non prohibitifs. Ceci avec des primitives de chiffrement solides qui assurent un excellent niveau de sécurité, indépendamment du matériel. Les performances de ce premier noyau mathématique vont être améliorées pour depuis novembre Il signale les vols de câbles électriques, grâce à une détection et une localisation des coupures, avec une précision de moins de 100 mètres qui facilite l intervention des forces de l ordre. Un laboratoire commun a été mis en place avec WiN MS pour préparer les évolutions et l élaboration de futurs produits. En 2013, plusieurs verrous doivent être levés pour étendre les activités de la société. être utilisée pour le traitement d autres données naturelles : détection de signaux chimiques, surveillance audio, etc. Ces travaux se poursuivent avec la conception d un circuit hybride (composants CMOS et dispositifs synaptiques à base de CBRAM). Deux brevets ont été déposés. repousser l état de l art en termes de performances et accéder à des algorithmes plus avancés. Le cryptocalcul à base de systèmes homomorphes présente un large potentiel applicatif : sécurisation du cloud computing, exploitation de bases de données médicales, utilisation de données personnelles par un service internet, etc.

25 24 Avancée scientifique Logiciels numériques embarqués : valider les fonctions élémentaires devient simple Les industriels qui développent des logiciels numériques embarqués doivent valider leurs fonctions élémentaires pour garantir des calculs précis. En pratique, beaucoup reculent devant la difficulté de l exercice. L outil Fluctuat du CEA LIST le simplifie : la bibliothèque d un équipementier automobile a été validée formellement sur une période d un mois. ddévelopper un logiciel numérique embarqué, c est associer plusieurs composants eux-mêmes définis sur la base de fonctions élémentaires puisées dans une librairie. Pour prévenir les erreurs de calcul dues aux nombres flottants, la première étape consiste donc à s appuyer sur des fonctions précises et si possible, rapides et peu gourmandes en ressources. Après étude, un matériau de base 100 % sûr Mais il y a un gouffre entre une validation par tests, telle qu elle est pratiquée Le plus souvent, et une validation formelle menée avec Fluctuat. Cette dernière couvre La totalité des scénarios d utilisation et des valeurs d entrée possibles. Elle identifie les points critiques, génère et exécute les tests correspondants et signale, le cas échéant, la provenance des erreurs. Au terme de l étude, l industriel s appuie donc sur un «matériau» de base 100 % sûr. une bibliothèque validée et parfois améliorée La validation formelle menée pour un équipementier automobile allemand a confirmé le potentiel de Fluctuat. Il a suffi d un mois pour passer en revue toute La librairie (fonctions élémentaires, transcendantes, d interpolation, filtres numériques ) et vérifier la précision affichée pour chaque fonction. L ensemble de définition des domaines d entrée a même été affiné à cette occasion. Plus précisément, l étude comportait : de la propagation automatique d erreurs d arrondis, par analyse statique et interprétation abstraite, des raisonnements dissociant erreur de méthode (introduite par un choix algorithmique) et erreur d implé mentation (erreur d arrondi propagée par les calculs), des raisonnements par cas en fonction des domaines d entrée, de l identification automatique et de l exécution symbolique des scénarios les pires. Enjeu Garantir la qualité et la sûreté des calculs sur nombres flottants au niveau de la bibliothèque de fonctions. «Former des partenariats avec des spécialistes de niveau mondial» John Murray, SRI Quels sont les objectifs de votre collaboration avec le CEA LIST? SRI International travaille avec le CEA LIST sur ce projet de recherche, d une durée de trois ans, dans le but d élaborer une suite d outils de vérification automatique de logiciels. Ces outils perfectionnés spécialement améliorés pour la plateforme Frama-C du CEA LIST permettront de considérablement renforcer la sécurité et la fiabilité de nombreuses applications logicielles critiques. Comment utilisez-vous les résultats obtenus? Il s agit d un programme de recherche très offensif qui s attaque à des problèmes logiciels multiples et complexes de manière extrêmement innovante, nous sommes donc très satisfaits des avancées du CEA LIST à ce stade. Et la suite de notre collaboration, nous en sommes persuadés, générera encore bien d autres avantages pour nos clients. En partenariat avec nos collègues spécialistes des jeux numériques de l Université de Californie, à Santa Cruz, nous développons un vaste système appelé CHEKOFV qui s appuie sur des techniques de crowdsourcing pour déceler les vulnérabilités des logiciels. Les nouveaux outils de vérification automatique que propose le CEA LIST seront ainsi prochainement intégrés à CHEKOFV. Pourquoi avoir fait appel spécifiquement à un partenaire français? Pour toutes ses initiatives, SRI cherche à

26 25 LA R&D AU SERVICE DE L INDUSTRIE/ Systèmes embarqués/ Ingénierie logiciels et systèmes Difficultés rencontrées Proposer une approche formelle, qui garantisse à 100 % la précision et la rapidité des fonctions. Réaliser l étude dans des délais et à un coût optimisé. Effectuer l étude pour des propriétés pas précisément spécifiées, donc avec une précision d analyse maximale pour un domaine de fonctionnement très large. Applications Validation formelle de tous types de librairies de fonctions : fonctions natives d ateliers (Matlab/Simulink, SCADE, ), fonctions étendues ou redéfinies. Utilisable sur logiciels critiques et sur logiciels à large diffusion, où la correction d erreurs a posteriori est très coûteuse. Cybersécurité : la preuve formelle est possible Certaines propriétés de sécurité d un logiciel de connexion sécurisée à un serveur distant ont été vérifiées de manière formelle grâce à l outil Frama-C du CEA LIST. Une vulnérabilité a été détectée et rapidement corrigée par l éditeur, confirmant ainsi la valeur ajoutée de la démarche. Cet outillage est applicable à tout logiciel impliqué dans la cybersécurité. Il permet de garantir l absence de vulnérabilités pouvant notamment compromettre la confidentialité des données, leur intégrité et la disponibilité des services. Pour l élargir à des applicatifs en C++ et Java, le projet européen de recherche amont STANCE, Modélisation de systèmes critiques : Scade System est disponible Le modeleur de systèmes critiques Scade System, développé par le CEA LIST avec Esterel Technologies, a été lancé en avril Plusieurs industriels français et étrangers de l avionique et du ferroviaire l ont commandé afin d industrialiser leur processus de réalisation tout en respectant des exigences élevées de sûreté. En parallèle, le laboratoire commun LISTerel, créé avec la société Esterel, a été renouvelé jusqu à la fin Les chercheurs vont faire évoluer Scade System vers la simulation des systèmes complets, par exemple, l avion, ses passagers, les équipes piloté par le CEA LIST, a été lancé avec des partenaires comme Dassault Aviation, Fraunhofer FOKUS, Thalès ou Infineon. En parallèle, la création d une start up ouvrira les techniques de vérification formelle aux acteurs industriels de la cybersécurité. au sol et les informations de maintenance. Ils décriront les comportements de ces systèmes, et pas seulement leur architecture. Objectif : faciliter et guider le travail des concepteurs, en amont du codage des programmes. nouer des partenariats avec des spécialistes et des instituts de recherche de renommée mondiale, quelle que soit leur situation géographique ou leur pays d implantation. Parce que nous sommes un organisme de recherche indépendant à but non lucratif, nous ne sommes pas soumis aux contraintes des entreprises ou des sponsors régionaux en termes d objectifs. Cette indépendance nous permet de nous concentrer sur notre vision de l excellence : une «science sans frontières». Conception automobile : livraison à Renault d un prototype de chaîne d outils intégrés un prototype de chaîne d outils intégrés pour le développement de systèmes automobiles a été livré à Renault. Il est basé sur une modélisation de tout le processus d ingénierie système. Il permet ainsi de modéliser le système aux différentes étapes du cycle de conception, d identifier les interactions et dépendances entre les éléments des systèmes et les acteurs du processus. Renault compte sur ce type d outil pour accélérer le développement de nouveaux systèmes et respecter son processus d ingénierie système. Le prototype supporte en partie de nombreux aspects : spécifications fonctionnelles du système, analyses de sûreté, une partie de la conception de l architecture logicielle embarquée, caractérisation des lignes de produits, etc. Les chercheurs se sont appuyés sur Papyrus, leur plate-forme d ingénierie dirigée par les modèles, pour concevoir ce prototype adapté aux spécificités de l industrie automobile.