Analyse Structurelle pour le Diagnostic des Systèmes Distribués

Structural analysis for the diagnosis of distributed systems

• Auteur / Autrice : Carlos gustavo Perez zuniga
• Direction : Louise Travé-Massuyès, Élodie Chanthery, Javier Sotomayor Moriano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et Informatique
• Date : Soutenance le 21/08/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA en cotutelle avec PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] / LAAS
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Louise Travé-Massuyès, Élodie Chanthery, Javier Sotomayor Moriano, Antonio Moran
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Cocquempot, Addison Rios-Bolivar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes à paramètres répartis

Mots clés libres

Diagnostic à base de modèles

Analyse structurelle

Architectures décentralisées et distribuées

Algorithmes de planification

A*

Model based fault diagnosis

Structural analysis

Decentralized and distributed architectures

Planning algorithms

A*

Résumé

Les récents développements des systèmes technologiques ont mené à une complexification des comportements des systèmes actuels. Une solution pour gérer cette complexité croissante consiste à les considérer comme un ensemble de sous-systèmes hétérogènes et à développer des techniques distribuées pour les contrôler et les gérer. Cette solution soulève plusieurs problèmes. Tout d’abord, l’augmentation de la taille et du nombre de composants entraîne immanquablement l’augmentation du nombre de fautes qui peuvent conduire le système dans un état de défaillance critique. De fait, parmi les fonctions opérationnelles, les tâches de détection et d’isolation des fautes (Fault Detection and Isolation ou FDI), de maintenance et de réparation sont devenues prédominantes et elles influent considérablement sur le coût total des produits finaux.Cette thèse porte sur la détection et l’isolation de fautes. Parmi les différentes méthodes pour générer des tests de diagnostic utilisant la redondance analytique, cette thèse adopte l’approche par espace de parité qui utilise les relations de redondance analytique (RRA). Étant donné un modèle du système sous la forme d’un ensemble d’équations différentielles, les RRA sont des relations obtenues à partir du modèle en éliminant les variables non mesurées. Ceci peut être effectué dans un cadre analytique en utilisant la théorie de l’élimination. Une autre solution consiste à utiliser l’analyse structurelle. L’analyse structurelle est basée sur une abstraction du modèle qui ne conserve que les liens entre variables et équations. Malgré son apparente simplicité, l’analyse structurelle fournit un ensemble d’outils puissants, s’appuyant sur la théorie des graphes, pour analyser et inférer des informations sur le système. Par ailleurs, elle a l’avantage de s’appliquer indifféremment sur les systèmes linéaires ou non linéaires.L’objectif de cette thèse est de développer des techniques efficaces basées sur l’analyse structurelle pour le diagnostic des systèmes continus distribué. Dans ce cadre, le système se décompose en un ensemble de sous-systèmes en fonction de contraintes fonctionnelles, géographiques ou de confidentialité. La thèse se divise principalement en deux parties :• la première partie cherche à mettre à lumière, à partir des modèles structurels obtenus au niveau des sous-systèmes, les redondances qui généreront des tests de diagnostic pertinents au niveau du système global,• la deuxième partie vise à formuler et résoudre le problème d’optimisation lié au choix d’un sous-ensemble de tests de diagnostic au niveau des sous-systèmes permettant une diagnosticabilité maximale pour le système global.La première partie utilise le concept d’ensemble minimal structurellement surdéterminé guidé par les fautes (Fault-Driven Minimal Structurally Overdetermined Set ou FMSO set). Ce concept est introduit dans la thèse. Il s’agit d’un sousensemble d’équations du modèle avec une redondance minimale à partir de laquelle une RRA sensible à un ensemble de fautes peut être obtenu. Deux solutions pour générer des ensembles FMSO pour le système global sont présentées, d’une part dans un cadre décentralisé avec des superviseurs imbriqués suivant une hiérarchie; d’autre part dans un cadre totalement distribué. Ces solutions sont basées sur les propriétés des ensembles FMSO au niveau des sous-systèmes qui sont présentées dans la thèse. La deuxième partie pose un problème d’optimisation dans le cadre d’une recherche heuristique et propose trois solutions basées sur un algorithme A* itératif combiné avec une fonction capable d’évaluer si un ensemble FMSO au niveau global peut être obtenu à partir des ensembles FMSO locaux sélectionnés. Les concepts introduits dans la thèse et les résultats sont appliqués à deux cas d’étude industriels. Le premier est une usine de désalinisation. Le second est un système de détermination et de contrôle d’attitude pour un satellite en orbite basse.

The recent development of technological systems implies a high complexity of behaviors for today’s systems. An answer to the increased system’s complexity is to look at them as a multitude of heterogeneous subsystems and develop distributed techniques to control and manage them. This raises a number of problems. Firstly, as the size and number of components increase, so does the number of fault occurrences that may drive the system to undergo critical failures. Fault detection and isolation (FDI), maintenance and repair are an increasing part of the operational everyday’s tasks and they impact drastically the total cost of final products.This thesis focuses on fault detection and isolation. Among the different methods to generate diagnosis tests by taking advantage of analytical redundancy, this thesis adopts the so-called parity space approach based on analytical redundancy relations (ARRs). Given a model of the system in the form of a set of differential equations, ARRs are relations that are obtained from the model by eliminating non measured variables. This can be performed in an analytical framework using elimination theory but another way of doing this is to use structural analysis. Structural analysis is based on a structural abstraction of the model that only retains a representation of which variables are involved in which equations. Despite the rusticity of the abstract model, structural analysis provides a set of powerful tools, relying on graph theory, to analyze and infer information about the system. Interestingly, it applies indifferently to linear or nonlinear systems. The goal of this thesis is to develop effective techniques based on structural analysis for diagnosis of distributed continuous systems. In this framework, the system is decomposed into a set of subsystems according to functional, geographical or privacy constraints. The thesis is organized in two parts:• highlighting the redundancies that are built into the global structural model and that can be used to generate diagnosis tests starting from the redundancies existing in the subsystem’s models,• formulating and solving the optimization problem linked to the choice of a subset of diagnosis tests at the subsystems level that can lead to a set of diagnosis tests achieving maximum diagnosability for the global system.The first part takes benefit of the concept of Fault-Driven Minimal Structurally Overdetermined Set (FMSO set) that is introduced in the thesis. An FMSO set determines a subset of equations of the model with minimal redundancy from which an ARR sensitive to a set of faults can be obtained. Two solutions for generating FMSOs for the global system are presented, in a decentralized framework with supervisors at each level of a hierarchy and in a totally distributed framework.These are based on the properties of the FMSO sets for the subsystems in relation to those of the global system derived in the thesis.