Modélisation, simulation et optimisation des chaînes de production pour les petites et moyennes séries dans le cadre de l'industrie 4.0 (projet PMI4.0)

Modeling, simulation and optimization of production lines for small and medium-sized series in the context of Industry 4.0 (PMI4.0 project)

• Auteur / Autrice : Manel Koumas
• Direction : Jean-Yves Didier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Inscription en doctorat le 20/12/2019
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IBISC - Informatique, BioInformatique, Systèmes Complexes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IRA2: Interactions, Réalité virtuelle & Augmentée, Robotique Ambiante
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)

Mots clés

Mots clés libres

Industrie du futur

Systèmes experts

Robotique

Interaction homme-système

Robotics

Man system interaction

Smart factory

Expert systems

Industry 4.0

Résumé

La production de pièces en petite et moyenne série implique de pouvoir reconfigurer rapidement et efficacement les chaînes de production. La révolution numérique portée par l'Industrie 4.0 amène, au coeur des industries, des technologies telles que la cobotique, l'intelligence artificielle ou la réalité virtuelle qui, en retour, servent de levier pour optimiser la production. Le laboratoire IBISC, au travers de son équipe de recherche IRA² (Interactions, Réalité virtuelle et Augmentée, Robotique Ambiante) est spécialisé, entre autres, dans la conception d'outils d'assistance à l'Homme dans les domaines de la réalité virtuelle et augmentée et de la robotique tournés, pour partie, vers des usages industriels. L'Institut Catholique des Arts et Métiers (ICAM), implanté sur le site de Grand Paris Sud, forme des ingénieurs généralistes et propose aux entreprises de les accompagner dans leurs problématiques industrielles. Au niveau recherche, le site possède des compétences en termes de transformations sociétales et technologiques des entreprises et plus particulièrement en organisation industrielle, logistique, transport et supply chain. Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse consiste à concevoir et proposer une architecture pour les lignes de production leur permettant d'être interopérables et reconfigurables à la demande. En effet, les problématiques majeures de l'Industrie 4.0 sont l'intégration et l'interopérabilité [Chen et al., 2008] des systèmes numériques mis en œuvre. Elles sont appuyées pour les PMEs, par deux facteurs à la base de l'intégration des nouvelles technologies dans leurs usines: la collaboration avec l'homme au centre de l'implantation et de la mise en œuvre des concepts de l'industrie du futur, ainsi que la garantie d'améliorer leur performance globale en termes de coût, qualité, délai, mais aussi de dimensions sociales, sociétales et environnementales. Dans ce contexte, nous considérons une usine comme un ensemble de chaînes de production dont les divers postes de travail peuvent comprendre une ou plusieurs machines (cellules automatisées spécialisées, robots, cobots (collaborant avec les opérateurs)) et des équipements transversaux d'approvisionnement (AGV). Ces derniers peuvent être réorganisés afin de répondre de manière optimale à la demande d'un produit particulier. L'approche visée consiste à associer à chaque équipement un agent logiciel capable d'exposer ses capacités de production en fonction de son état de fonctionnement courant. L'usine est alors assimilée à un système multi-agents, outil approprié pour maîtriser la complexité et la planification de la production dans le cadre de l'industrie 4.0 [Yang, 2017], dont l'orchestration a pour objectif d'obtenir le produit visé. Un des moyens techniques qui peut par ailleurs être employé est le couplage d'un service (au sens logiciel) à chaque équipement de production [Weyer et al., 2015] lui permettant d'assurer la communication avec les autres équipements ou, à plus haut niveau, avec les systèmes d'informations globaux de l'entreprise à savoir les progiciels de gestion intégrée (en anglais ERP pour Entreprise Resource Planning) et de gestion des processus industriels (en anglais MES pour Manufacturing Execution System). Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons à la définition d'une architecture favorisant les échanges standards d'informations entre ces agents et la recombinaison des moyens de production qu'ils offrent en fonction du produit visé ou des défaillances éventuelles d'un des équipements sur site. Il s'agit donc de chaînes de production auto-organisatrices dont nous souhaitons, par ailleurs, pouvoir valider et simuler le fonctionnement avant implémentation en usine. Le plan de travail proposé est le suivant : 1. état de l'art sur les lignes de production auto-organisatrice et ou reconfigurables ; 2. dégager les grandes lignes d'une architecture interopérable à plusieurs niveaux : • au niveau des équipements ; • au niveau de l'infrastructure reliant les équipements ; • au niveau des systèmes d'information de l'entreprise (ERP et MES) Durant cette phase devra être déterminée quel type d'architecture, à base d'agents, de services ou une combinaison des deux, est la plus appropriée. 3. construire des modèles de chaînes de production dans lesquels nous nous intéresserons également à la place de l'opérateur, son rôle et son influence sur la chaîne de production. Durant cette phase, à l'instar des méthodes utilisées pour les architectures orientées services, nous voudrions créer l'usine sémantique afin de la rendre reconfigurable et auto-organisatrice. Pour cette phase, nous pourrons nous appuyer sur les travaux du laboratoire IBISC en matière de malléabilité des collecticiels [Cheaib, 2010] et de raisonnement sémantique pour rendre les logiciels adaptables [Dennemont, 2013] ; 4. simuler le comportement du modèle, possiblement en réalité virtuelle afin d'éviter le coût matériel du prototypage d'une telle chaîne afin de le valider ; 5. passer à la réalisation physique sur un démonstrateur de chaîne de production impliquant AGV et cobots. Les résultats attendus sont : • Etat de l'art sur les lignes de production auto-organisatrices et reconfigurables à la demande à l'issue de la première année ; • Spécification d'une architecture interopérable pour les lignes de production ; • Publication dans des conférences du domaine reconnues et dans au moins une revue de renommée internationale. Modalités d'encadrement • Directeur de thèse : M. Jean-Yves Didier, Maître de conférences, HdR (laboratoire IBISC - université d'Évry - val d'Essone) ; • Co-encadrant : M.Paul-Eric Dossou, Enseignant - chercheur, Institut Catholique des Arts et Métiers, site de Grand Paris Sud. Références [Cheaib, 2010] CHEAIB, Nader, Contribution à la malléabilité des collecticiels : une approche basée sur les services web et les agents logiciels, thèse de doctorat, Université d'Evry-val d'Essonne, 2010. [Chen et al., 2008] CHEN, David, DOUMEINGTS, Guy, et VERNADAT, François. Architectures for enterprise integration and interoperability: Past, present and future. Computers in industry, 2008, vol. 59, no 7, p. 647-659. [Dennemont, 2013] DENNEMONT, Yannick, Une assistance à l'interaction 3D en réalité virtuelle par un raisonnement sémantique et une conscience du contexte, thèse de doctorat, Université d'Evry-val d'Essonne, 2013. [Weyer et al., 2015] WEYER, Stephan, SCHMITT, Mathias, OHMER, Moritz, et al. Towards Industry 4.0-Standardization as the crucial challenge for highly modular, multi-vendor production systems. Ifac-Papersonline, 2015, vol. 48, no 3, p. 579-584. [Yang, 2017] LU, Yang. Industry 4.0: A survey on technologies, applications and open research issues. Journal of Industrial Information Integration, 2017, vol. 6, p. 1-10.

The production of parts in small and medium series implies being able to quickly and efficiently reconfigure production lines. The digital revolution carried by Industry 4.0 brings, at the heart of industries, technologies such as cobotics, artificial intelligence or virtual reality which, in turn, serve as a lever to optimize production. The IBISC laboratory, through its research team IRA² (Interactions, Virtual and Augmented Reality, Ambient Robotics) is specialized, among other things, in the design of human assistance tools in the fields of virtual and augmented reality and robotics turned, in part, to industrial uses. The Institut Catholique des Arts et Métiers (ICAM), located on the Grand Paris Sud site, trains general engineers and offers to assist companies with their industrial problems. In terms of research, the site has expertise in terms of societal and technological transformations of companies and more particularly in industrial organization, logistics, transport and supply chain. In this context, the objective of this thesis is to design and propose an architecture for the production lines allowing them to be interoperable and reconfigurable on demand. Indeed, the major issues of Industry 4.0 are the integration and interoperability [Chen et al., 2008] of digital systems implemented. They are supported for SMEs, by two factors at the basis of the integration of new technologies in their factories: the collaboration with the human being at the center of the implementation of the concepts of the industry of the future, as well as the guarantee to improve their overall performance in terms of cost, quality, time, but also social, societal and environmental dimensions.