Contribution à la modélisation d'un système interactif d'aide à la conduite d'un prodédé industriel, Contribution to the modelling of an interactive aiding system for industrial process control

De
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Sous la direction de Gérard Morel, Eddy Bajic
Thèse soutenue le 15 novembre 2010: Nancy 1
Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans le contexte de l'Ingénierie d'un Système Interactif d'Aide à la Conduite (SIAC) d'un procédé industriel. Nous défendons l'intérêt d'améliorer l'interactivité numérique entre un procédé et un agent (opérateur de conduite, rondier) qui applique des procédures de conduite. L'originalité du SIAC consiste à encapsuler le système physique par un canal d'objets logiques afin de mieux équilibrer la distribution des rôles entre l'humain et le système technique qu'il conduit. Ce SIAC fournit aux opérateurs et aux rondiers des services d'aide à la conduite tels que la localisation des équipements, l'autorisation des actions à exécuter et la validation des actions exécutées, de même que la gestion des contraintes d'exclusion et de dépendances entre actions, imposées par la physique du procédé. La spécification de ce système sociotechnique interprète les travaux des « Problem Frames » en génie informatique pour proposer un procédé de modélisation itératif dans le cadre d'une Ingénierie Système Basée sur des Modèles (ISBM). Cette ISBM s'appuie sur le langage SysML, dont la syntaxe et la sémantique sont spécialisées pour supporter le procédé de modélisation proposé. Cette spécialisation met en correspondance les artéfacts clés extraits à la fois des bonnes pratiques de l'Ingénierie Système et des bonnes pratiques de SysML.
-Ingénierie Système
-SysML
-Spécification
-Interaction Numérique
-Aide à la Conduite
Within the context of the Engineering of an Interactive Aiding System for industrial process Control (SIAC), these works aims to improve the digital interaction between a process and a human operator (control room operator, field operator) which applies control procedures. The proposed SIAC enhances the digital capabilities of the field operator in order to better balance the role distribution between the technical system and the human system. It provides active control services to field operators such as equipment localisation, action authorization and action validation, as well as man-agement services for the verification of exclusions between procedures constraints and verification of de-pendencies between actions constraints.The specification of such socio-technical system interprets the ?Problem Frames? from software engineer-ing in order to propose an iterative Model Based System Engineering (MBSE) process. This MBSE is based on SysML modelling language, whose syntax and semantics are specialized to support the proposed meth-odology. This specialization maps the key artefacts that are extracted from the System Engineering and SysML good practices.
-Systems Engineering
-SysML
-Specification
-Digital Interaction
-Aided Control
Source: http://www.theses.fr/2010NAN10109/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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FACULTE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES


U.F.R. Sciences et Technologies
École Doctorale IAEM Lorraine
Département de Formation Doctorale Automatique


Thèse
Présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy 1
(Spécialité Automatique, Traitement du Signal et Génie Informatique)
par

Drago DOBRE


CONTRIBUTION A LA MODELISATION D'UN SYSTEME INTERACTIF D’AIDE A
LA CONDUITE D'UN PROCEDE INDUSTRIEL


Soutenue publiquement le 15 Novembre 2010 devant la commission d’examen :

Président et rapporteur Bernard THIRION Professeur, Université de Haute Alsace
Rapporteur Pascal BERRUET Professeur, Université de Bretagne-Sud
Examinateurs Catherine DEVIC Responsable de groupe EDF R&D/STEP
Gérard MOREL Professeur, UHP Nancy I (Directeur de thèse)
Eddy BAJIC Professeur, UHP Nancy I (Codirecteur de thèse)
David GOUYON Maître de conférences, UHP Nancy I

Centre de Recherche en Automatique de Nancy
Faculté des Sciences et Technologies – 54500 Vandœuvre-lès-Nancy






























A Simona, Ioana et Andrei








Remerciements


Je tiens à remercier avant tout, les membres du jury qui me font l’honneur de participer à
l’examen de ce travail.
Je souhaite tout d’abord remercier Gérard Morel, Professeur à l’Université Henri Poincaré Nan!
cy 1, de m’avoir encadré, soutenu et fait partager sa passion pour la recherche et sa rigueur
scientifique tout au long de cette thèse. Un grand merci pour sa patience et sa disponibilité,
ainsi que ses qualités humaines et scientifiques.
Je remercie également Eddy Bajic, Professeur à l’Université Henri Poincaré Nancy 1, d’avoir en!
cadré mon stage de Master 2, de m’avoir encouragé à poursuivre en thèse, et de m’avoir co!
encadré. J’ai apprécié ses connaissances technologiques qui m’ont permis d’acquérir de nou!
velles compétences que j’ai pu exploiter dans le développement de la thèse.
Je remercie David Gouyon, Maître de Conférences à l’Université Henri Poincaré Nancy 1, pour
son encadrement, pour les nombreux échanges que nous avons eus et pour sa disponibilité et
son aide dans des moments de doute.
A Pascal Berruet, Professeur à l’Université de Bretagne!Sud, et Bernard Thirion, Professeur à
l’Université de Haute Alsace, j’adresse mes sincères remerciements pour l’honneur qu’ils m’ont
fait en acceptant d’évaluer ce travail en tant que rapporteurs. J’ai pu apprécier la pertinence
des remarques faites sur mon travail.
Je suis reconnaissant envers Catherine DEVIC, Responsable de groupe EDF R&D/STEP, pour
l’enthousiasme avec lequel elle a accepté de participer à ce jury de thèse. Ses remarques nom!
breuses et constructives m’ont permis d’apporter plus de précisions et de pertinence à mon
travail de thèse.
Cette thèse ayant été réalisée au Centre de Recherche en Automatique de Nancy, je tiens donc
à remercier tout naturellement son directeur, Alain RICHARD ainsi que Thierry DIVOUX respon!
sable du groupe thématique SYMPA pour leur accueil, toute l'attention qu'ils m'ont portée, et
pour les moyens mis à ma disposition durant ces années.
J’associe à ces remerciements tous les membres du CRAN, enseignants chercheurs, IATOS et
doctorants, avec qui j’ai pu travailler et échanger durant ces années de thèse.
Mon dernier remerciement est pour mon épouse Simona. Je te remercie d’avoir cru en moi
durant tous ces années et de m’avoir aidé à me dépasser. Mes travaux n’auraient pu aboutir
sans ton soutien indéfectible. Merci d’être à mes cotés à chaque instant.





Table des matières
REMERCIEMENTS 5
TABLE DES MATIERES 7
ABREVIATIONS 11
INTRODUCTION 13
PARTIE I : SYSTEME POUR FAIRE 21
CHAPITRE 1 ARTEFACTS DE MODELISATION SYSTEME 23
1.1 Artéfacts de l'Ingénierie Système 23
1.1.1 A propos de l’Ingénierie de Système 24
1.1.2 Artéfacts!clés de la relation d’interopération 32
1.2 Artéfacts connexes 47
1.2.1 Approche des « Problem Frames » 47
1.2.1.1 Spécification des systèmes informatiques 47
1.2.1.2 Spécification des systèmes sociotechniques 52
1.2.2 Autres approches 53
1.2.2.1 Domain Engineering 53
1.2.2.2 Requirement Engineering 54
1.2.2.3 Automation Engineering 55
1.3 Conclusions 56
CHAPITRE 2 ARTEFACTS DE MODELISATION SYSTEME EN LANGAGE SYSML 59
2.1 Artéfacts du langage SysML 59
2.1.1 Artéfacts du langage SysML relatifs aux artéfacts d’IS 61
2.1.2 Artéfacts connexes du langage SysML 66
2.2 Procédé de modélisation système en SysML 69
2.2.1 Définition des besoins avec SysML 71
2.2.2 Prescription des exigences avec SysML 72
2.2.3 Conception de l’architecture fonctionnelle avec SysML 75
2.2.4 Conception de l’architecture organique avec SysML 79
2.3 Exécution de la spécification pour la Vérification et la Validation 81
2.4 Conclusions 86
8 Table des matières

PARTIE II : SYSTEME A FAIRE 87
CHAPITRE 3 SPECIFICATION DE L’ARCHITECTURE SYSTEME DU SYSTEME
INTERACTIF D’AIDE A LA CONDUITE 89
3.1 Contexte et enjeux industriels 90
3.1.1 Le processus dans les systèmes de production 91
3.1.2 Les acteurs de la conduite d'un système de production 94
3.1.3 La conduite des systèmes de production 98
3.2 Besoin d’un Système Interactif d’Aide à la Conduite 103
3.3 Analyse des exigences 108
3.4 Conception fonctionnelle 114
3.5 Conception organique 116
3.6 Exécution des modèles de spécification 124
3.6.1 Vérification par simulation de scénarios de test 125
3.6.2 Vérification des conditions d’exclusion et d’ordre d’actionnement 129
3.7 Conclusions 132
CHAPITRE 4 REALISATION ET INTEGRATION DU SYSTEME INTERACTIF D’AIDE A LA
CONDUITE 133
4.1 Architecture initiale de la plateforme CISPI 134
4.2 Réalisation des constituants du système interactif d’aide à la conduite 137
4.2.1 Objet Logique Technique : module augmenté pour les vannes manuelles 138
4.2.1.1 Contexte et choix de la technologie ambiante 138
4.2.1.2 Modèle structurel de la vanne augmentée 142
4.2.1.3 Modèle comportemental de la vanne augmentée 143
4.2.1.4 Interface d’échange avec la vanne augmentée 145
4.2.2 Objet Logique Interactif : assistance au rondier par un environnement nomade 147
4.2.2.1 Contexte et choix de l’OLI 147
4.2.2.2 Comportement de l’assistant du rondier 148
4.2.2.3 Interfaces d’échanges 150
4.2.3 Objet Logique de Flux : Système de gestion des Modes Opératoires 150
4.2.3.1 Système d’information pour la gestion technique des MO 150
4.2.3.2 Exécution et contrôle des MO 152
4.3 Intégration des constituants du SIAC 155
4.3.1 Architecture matérielle 155
4.3.2 Vérification de l’architecture matérielle 158
4.4 Conclusions 158
CONCLUSION ET PERSPECTIVES 159 Table des matières 9

ANNEXE A BESOINS IDENTIFIES POUR UN SYSTEME D’AIDE A LA CONDUITE 163
ANNEXE B LES MODES OPERATOIRES DE LA PLATEFORME CISPI 167
LISTE DES FIGURES 181
LISTE DES TABLEAUX 185
BIBLIOGRAPHIE 187




















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