Formalisation et qualification de modèles par contraintes en conception préliminaire

Formalizing and qualifying models for constraint-based embodiment design

• Auteur / Autrice : Yoann Vernat
• Direction : Jean-Pierre Nadeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Arts et Métiers ParisTech. Centre d'enseignement et de recherche (Bordeaux-Talence)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception technique

Résumé

La conception architecturale constitue une étape complexe du développement d'un produit, car elle implique : (i) une prise de décision dans un contexte où les données du problème sont mal définies ou imprécises, (ii) une exploration de l'espace des solutions qui doit rester aussi large que possible, (iii) des choix de conception basés sur des variables continues ou discrètes, et (iv) une optimisation multidisciplinaire. Ainsi, les modèles de simulation classiquement utilisés en conception sont souvent mal adaptés à une réelle prise de décision : certains modèles sont trop simples, les choix sont alors entachés d'erreur de modélisation, d'autres sont trop spécialisés et certaines solutions risquent d'être ignorées. Nous proposons dans cette étude une approche de la formalisation de modèles plus adaptée à la prise de décision en conception architecturale. Cette méthodologie vise à obtenir des modèles à la fois parcimonieux et exacts. Ainsi, les modèles sont plus faciles à exploiter en conception préliminaire et cohérents avec les attentes du concepteur. La méthode développée repose sur : (i) une approche globale basée sur la décomposition fonctionnelle pour conserver une cohérence entre les modèles des différents composants, (ii) l'utilisation de quatre critères de qualification des modèles permettant de s'assurer de leur adéquation avec les objectifs de la conception préliminaire, (iii) l'utilisation des techniques d'adaptation de modèles, permettant de faire des choix de conception à l'aide de solveurs de Problèmes par Satisfaction de Contraintes (PSC). Les quatre critères de qualification utilisés sont : (i) la parcimonie du modèle, liée au nombre minimal de variables et d'équations décrivant correctement le comportement du système, (ii) l'exactitude du modèle, estimant l'adéquation entre les résultats du modèle et des résultats issus d'un modèle de référence, (iii) la précision du modèle, évaluant l'étendue du domaine de variation de chaque variable, due à un manque de connaissance ou à une incertitude et (iv) la spécialisation du modèle, qui est une mesure de la restriction du domaine d'application du modèle, relativement à la quantité d'information introduite dans le modèle. Les quatre critères retenus sont pertinents de la conception préliminaire dans la mesure où : la parcimonie assure la simplicité du modèle, la spécialisation contribue à définir l'étendue du domaine d'application du modèle, et donc les limites de l'espace de conception, enfin, l'exactitude et la précision donnent une mesure de la fidélité du modèle à la réalité. Utilisés au cours de la méthodologie proposée, ces critères constituent un moyen de contrôle des modèles jusqu'à atteindre la forme souhaitée. Enfin, cette méthodologie est illustrée au travers de l'exemple d'une batterie de véhicule électrique, pour lequel deux modèles de niveaux systémiques différents sont comparés.

Embodiment design involves: (i) decision making while the problem's data are poorly defined and quite imprecise, (ii) design space exploration that must be kept as large as possible, (iii) choices involving both discrete and continuous variables, and (iv) multidisciplinary optimization. Consequently, classical simulation models involved in the preliminary stages of the design process are usually improper to efficient decision-making. They are either too simple or specialized to make design choices: either the choices are distorted by modelling mistakes, or some possible solutions remain undetected. An approach is proposed to model formalization that is more consistent with decision-making in embodiment design. The methodology aims at obtaining models both parsimonious and accurate. Therefore, these models are easier to handle in preliminary design, and consistent with the designer expectations, in order to make the model treatment more efficient. The developed method involves: (i) a global approach based on functional decomposition to keep consistency between the models of the different components, (ii) the use of four criteria to qualify the models and to ensure their adequacy with the preliminary design goals, (iii) the use of model adaptation techniques to make design choices with the help of Constraint Satisfaction Problems (CSP) solvers. The four qualification criteria are: (i) the model parsimony, related to the minimum variables and equations number that represent the system behaviour, (ii) the model accuracy, estimating the adequacy between the model results and those provided by a reference model, (iii) the model precision, evaluating the domain extent of each variable, related to a lack of knowledge or uncertainty, and (iv) the model specialization which is an estimate of the restriction of the model applicability, in relation to the amount of information used in the model. The four adopted criteria appear relevant for modelling in preliminary design since: parsimony ensures model simplicity, specialization contributes to define the model application range and thus, the design space limits, and finally, accuracy and precision provide a measurement of model fidelity. Throughout the methodology, they provide a way to control the models until they reach the expected form. Finally, the methodology is illustrated by an example of electric vehicle battery and two models are compared for two different systemic levels.