Diagnostic en ligne des systèmes à événements discrets complexes : approche mixte logique/probabiliste

Online diagnosis for complex discrete event systems : mixed approach based on logical/probabilistic

• Auteur / Autrice : Dang-Trinh Nguyen
• Direction : Eric Zamaï
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et productique
• Date : Soutenance le 15/10/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences pour la conception, l'optimisation et la production (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Flaus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Henry, Quoc Bao Duong
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Petin, Pascal Berruet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Statistique bayésienne

Mots clés libres

Diagnostic logique

Modèles probabilistes

Réseaux bayésiens

Système discret

Semi conducteur

Logical diagnosis

Probablity model

Bayesian network

Discret system

Semi conductor

Résumé

Les systèmes de production auquel nous nous intéressons ici sont caractérisés par leur haut niveau de flexibilité et leur fort niveau d'incertitude lié par exemple à la forte variabilité de la demande, le haut niveau des technologies produites, un flux de production stressant, la présence d'opérateurs humains, de produits, etc. Le domaine de l'industrie du semi-conducteur est un exemple caractéristique de ce type de systèmes. Ces systèmes caractérisent également des équipements nombreux et couteux, des routes de produits diverses, voire même réentrantes sur un même équipement, des équipements de métrologie produits, etc.La présence non systématique d'équipements de métrologie en sortie de chacun des équipements de production (Patterson et al, 2005) rend ce système encore davantage complexe. Cela a en effet pour conséquences des problématiques inéluctables de propagations de défaillances au travers du flux de produits, défaillances qui ne pourront être détectées plus tard qu'au travers d'un arrêt d'équipement non programmé ou alors lors d'un contrôle produit sur un équipement de métrologie. Pour faire face à une telle complexité, un modèle de structure de commande hiérarchique et modulaire est généralement en premier lieu préconisé, il s'agit du modèle CIM (Jones et al, 1990). Ce modèle consiste à décomposer dans un premier temps le système de pilotage en 5 niveaux de commande allant de la couche capteurs/actionneurs en passant par le contrôle-commande et la supervision. Nous nous intéresserons ici plus particulièrement aux trois derniers niveaux temps réels de ce modèle. En effet, lorsqu'une défaillance est détectée au niveau le plus bas de cette pyramide de commande, il s'agit de mettre en place un mécanisme permettant de localiser, en temps réel et de manière efficace, la ou les origines possibles d'une telle défaillance, qu'elle soit propagée, ou non afin de fournir au système d'aide à la décision les informations importantes pour guider l'opérateur humain dans sa phase de maintenance corrective et ainsi contribuer à réduire le temps d'arrêts d'équipements ; l'origine ou la cause de l'arrêt pouvant être l'équipement lui-même (panne de capteur, d'actionneur, déréglage…) ou une mauvaise maintenance, ou encore une recette mal qualifié, etc…L'idée générale que nous défendons ici consiste à s'appuyer sur le mécanisme de génération en ligne du modèle d'historique des opérations exécutées réduit à celles suspectes pour identifier la structure du réseau Bayésien correspondant au modèle de diagnostic ; et de mener par la suite le calcul des probabilités du modèle Bayésien résultant afin de déterminer les candidats à visiter en premier (notion de score) et ainsi contribuer à optimiser la prise de décision pour la maintenance corrective.L'approche générale se veut donc à la croisée d'une approche déterministe et une probabiliste dans un contexte dynamique. Au-delà de ces propositions méthodologiques, nous avons développé une application logicielle permettant de valider notre proposition sur un cas d'étude de la réalité. Les résultats sont particulièrement encourageants et ont fait l'objet de publications des conférences internationales et la soumission dans la revue International Journal of Risk and Reliability.

Today's manufacturing systems are challenged by increasing demand diversity and volume that result in short product life cycles with the emergence of high-mix low-volume production. Therefore, one of the main objectives in the manufacturing domain is to reduce cycle time (CT) while ensuring product quality at reduced cost. In such competitive environment, product quality is ensured by introducing more rigorous controls at each production step that results in extended cycle times and increased production costs. This can be reduced by introducing R2R (run to run) loops where control on the product quality is carried out after multiple consecutive production steps. However, product quality drift, detected by metrology at the end of run-to-run loop, results in stopping respective sequence of production equipment. The manufacturing systems are equipped with sensors that provide basis for real time monitoring and diagnosis; however, placement of these sensors is constrained by its structure and the functions they perform. Besides this, these sensors cannot be placed across the equipment due to associated big data analyses challenge. This also results in non-observable components that limit our ability to support effective real time monitoring and fault diagnosis initiatives. Consequently, production equipment in R2R loop are stopped upon product quality drift detection at the inspection step. It is because of the fact that we are unable to diagnose that which equipment or components are responsible for the product quality drift. As a result, production capacities are reduced not because of faulty equipment or components but due to our inability for efficient and effective diagnosis.In this scenario, the key challenge is to diagnose faulty equipment and localize failure(s) against these unscheduled equipment breakdowns. Moreover, the situation becomes more complex if the potential failure(s) is unknown and requires experts' intervention before corrective maintenance can be applied. In addition to this, new failures can emerge as a consequence of different failures and associated delay in its localization and detection. Therefore, success of the manufacturing domain, in such competitive environment, depends on quick and more accurate fault isolation, detection and diagnosis. This paper proposes a methodology that exploits historical data over unobserved equipment components to reduce search space of potential faulty components followed by more accurate diagnosis of failures and causes. The key focus is to improve the effectiveness and efficiency of real time monitoring of potential faulty components and causes diagnoses.This research focuses on potential diagnosis using Logical Diagnosis model (Deschamps et al., 2007) which that offers real time diagnosis in an automated production system. This reduces the search space for faulty equipment from a given production flow and optimizes the learning step for the subsequent BN. The BN model, based on the graphical structure, received from Logical Diagnosis model then computes joint and conditional probabilities for each node, to support corrective maintenance decisions upon scheduled and unscheduled equipment breakdowns. The proposed method enables real time diagnosis for corrective maintenance in fully or semi-automated manufacturing systems.