Co-ingénierie d'un système principal avion et de son système industriel basée sur les modèles pour une adéquation au plus tôt des architectures

Model-Based SoI and Manufacturing systems Co- Engineering Framework, for early concurrent architecture tradeoff

• Auteur / Autrice : Eliott Duverger
• Direction : Eric Levrat, Alexis Aubry
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Inscription en doctorat le 14/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : IAEM - INFORMATIQUE - AUTOMATIQUE - ELECTRONIQUE - ELECTROTECHNIQUE - MATHEMATIQUES
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CRAN - Centre de Recherche en Automatique de Nancy
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISET - Ingénierie des Systèmes Eco-Techniques complexes

Mots clés

Mots clés libres

Ingénierie Systèmes basées sur les modèles

Co-ingénierie

Système industriel

Analyse de compromis

Apprentissage automatique

Extraction de connaisances

Model Based systems engineering

Co-design

Industrial système

Tradeoff analysis

Machine Learning

Knowledge extraction

Résumé

Un défi important dans le domaine aéronautique est celui de l'ingénierie simultanée du système avion et de ses systèmes contributeurs étroitement liés, afin de garantir les performances globales attendues. En particulier, les liens entre l'ingénierie du système avion et celle du système industriel sont au cœur de ce sujet de recherche. Il est nécessaire d'avoir une vision globale et cohérente des composants du système avion et de leurs interactions avec le système de production. Ce sont ces interactions complexes qu'il est essentiel d'établir et de maintenir. En effet, si l'avion doit être spécifié en détail, avant de développer le système de production, alors le temps de mise sur le marché augmente et de nombreuses contraintes sont transférées au système de fabrication qui impactent ses performances. Il est donc nécessaire de synchroniser les cycles de vie du système et de son système industriel le plus tôt possible, dès le niveau conceptuel, afin de relier, les deux phases d'ingénierie. L'objectif de cette recherche est de déterminer dans quelle mesure nous pouvons renforcer le lien entre la conception du SoI et l'ingénierie du système industriel. Depuis les années 1990, des auteurs ont travaillé sur la conception pour la fabricabilité et l'ingénierie simultanée d'une famille de produits et de ses systèmes d'assemblage (Stadzisz, 1997), (Holt 2010), (Demoly 2011), (Barbosa 2013). Des travaux récents ont proposé des modèles et des méthodes pour vérifier les incohérences entre les contraintes d'assemblage des produits et la planification des séquences d'assemblage (Perrard et al. 2012, 2013). Dans le contexte d'Airbus, de nombreux projets ont été menés pour co-concevoir l'avion et son système de fabrication, par exemple (Pardessus, 2004) (Frankenberger, 2007) (Mas et al. 2013) (Bouissiere 2017), (Pralet et al. 2018), (Boussiere et al. 2019). Ces travaux sont les premiers pas vers une approche d'ingénierie concourante basée sur les modèles qui intègre la conception de systèmes et l'ingénierie de fabrication. Bien que basés sur des modèles, ces travaux restent très proches des modèles de conception (Model Based Design) (modèle numérique 3D, modèles de simulation à événements discrets, modèles d'optimisation, ...) et manquent d'une vision globale du système, essentielle pour comprendre la complexité des systèmes aéronautiques. De plus, les modèles de simulation développés sont élaborés par des experts, ils sont spécifiques à un produit et à une chaîne de fabrication, sont difficiles à modifier, et à vérifier. Ainsi, le MBSE n'est pas ou peu développé pour l'ingénierie des systèmes industriels, ce qui empêche la synchronisation des deux ingénieries pour construire un lien entre un domaine de description (vue statique) du SOI et un domaine d'opération (vue dynamique) du Système industriel (Boussiere et al. 2017). Bien que les échanges d'informations entre les deux domaines soient recommandés dans de nombreux travaux (Li et al. 2017), (Boussiere 2019), ils interviennent trop tard dans le cycle de développement. Les travaux développés dans cette thèse ont pour originalité de se placer dans une démarche MBSE à la fois pour l'ingénierie du SoI et du Système industriel et dans un contexte d'entreprise étendue et d'industrie du futur. L'objectif est de contribuer à la synchronisation des deux systèmes d'ingénierie, sous la forme de vues spécifiques et ce dès les phases amont de l'ingénierie (conceptualisation). La synchronisation portera également sur les analyses de compromis individuels qui seront étudiés conjointement afin de garantir la performance globale (analyse de compromis concomitante). L'étude et la formalisation des échanges dans la collaboration entre domaines métiers est le deuxième point innovant de cette recherche, avec un focus particulier sur le partage des modèles et des vues, en exploitant les concepts d'architecte de modèles (pour architecturer les modèles) et de modèles d'intention (Retho 2015), de carte d'identité de modèle, (Sirin 2015) pour architecturer les modèles. Les travaux sur le thème de la collaboration entre différentes spécialités de l'ingénierie système (Bouffaron 2014, 2016), devraient être étendus à la collaboration entre départements d'ingénierie. Enfin, pour augmenter la confiance dans les modèles et les simulations, la transformation des modèles système en modèles de conception de systèmes de production sera étudiée, à l'instar de ce qui a été proposé dans le domaine de la sécurité (Mauborgne 2016), ou de la logistique (Batarseh 2012). Notre objectif est de proposer un cadre méthodologique pour la co-ingénierie des systèmes à base de modèles de l'avion (SoI) et de son système de fabrication et d'assemblage, pour un compromis précoce d'architecture concurrente, afin de garantir la performance globale du SoI et du système de fabrication. L'objectif principal est de permettre aux ingénieurs des systèmes d'aéronefs (resp. aux ingénieurs des systèmes industriels) de concevoir un système performant tout en tenant compte de ses caractéristiques de fabricabilité (resp. des capacités de l'aéronef). Pour cela, en plus de l'approche MBSE, nous exploiterons les outils de l'intelligence artificielle pour renforcer les analyses d'impact et de compromis.

An important challenge in aeronautic domain is that of concurrent engineering of the aircraft system and its closely linked contributing systems to guarantee the expected overall performance. In particular, the links between the engineering of the aircraft system and that of the manufacturing and assembly system is at the heart of this research topic. It is necessary to have a global and coherent vision of the components of the aircraft system and their interactions with the production system. It is these complex interactions that are essential to establish and maintain. Indeed, if the aircraft must be specified in detail, before developing the production system, then the time to market increases and many constraints are transfered to the manufacturing system that impact its performance. It is therefore necessary to synchronize the life cycles of the System and its Manufacturing System as early as possible, from the conceptual level in order to link, as soon as possible, both engineering phases. The purpose of this research is to determine how far we can enforce the link between the SoI design and the manufacturing engineering. Since the 1990's, authors have worked on the design for manufacturability and the concurrent engineering of a product family and its assembly systems (Stadzisz, 1997), (Holt 2010), (Demoly 2011), (Barbosa 2013). Recent works proposed models and methods to check inconsistencies among product assembly constraints and assembly sequence planning (Perrard et al. 2012, 2013). In the context of Airbus, many projects have been led to co-design the aircraft and its manufacturing system, for instance (Pardessus, 2004) (Frankenberger, 2007) (Mas et al. 2013) (Bouissiere 2017), (Pralet et al. 2018), (Boussiere et al. 2019). These works are the first steps towards a concurrent model-based engineering approach that integrates system design and manufacturing engineering. Although based on models, this work remains very close to design models (Model Based Design) (3D numerical model, discrete event simulation models, optimization models, ...) and lacks a global system vision, essential to understand the complexity of aeronautical systems. Moreover, the simulation models developed are developed by experts, they are specific to a product and a manufacturing chain, are difficult to modify, and to verify. Thus, the MBSE is not or poorly developed for production systems engineering, which prevents synchronization of the two engineering for building a link between a description domain (static view) of the SOI and an operation domain (dynamic view) Manufacturing System (Boussiere et al. 2017). Although exchanges of information between the two domains are recommended in many works (Li et al. 2017), (Boussiere 2019), they occur too late in the development cycle. The work developed in this thesis has as an originality to be placed in an MBSE approach for both SoI and Manufacturing System engineering and in a context of extended enterprise and industry of the future. The aim is to contribute to the synchronization of both engineering systems, in the form of specific views and this from the upstream phases of engineering (conceptualization). The synchronization will also cover the individual trade-off analyses which will be studied jointly in order to guarantee overall performance (concurrent trade-off analysis). The study and formalization of exchanges in the collaboration between business domains is the second innovative point of this research, with a particular focus on the sharing of models and views, exploiting the concepts of model architect (for architecting the models) and intention models (Retho 2015), model identity card, (Sirin 2015) to architect the models. The works on the topic of collaboration between different systems engineering specialties (Bouffaron 2014, 2016), should be extended to collaboration between engineering departments. Finally, to increase confidence in models and simulations, the transformation of system models into production system design models will be studied, following the example of what has been proposed in the field of safety (Mauborgne 2016), or in logistic (Batarseh 2012). Our objective is to propose a methodological framework for Model-Based Systems Co-engineering of the aircraft (SoI) and its manufacturing and assembly system, for an early concurrent architecture tradeoff, in order to guaranty the overall performance of SoI and Manufacturing System. The primary objective is to enable aircraft system engineers (resp. industrial system engineers) designing a system that is performant while taking its manufacturability (resp. aircraft capabilities) characteristics into account. For this, in addition to the MBSE approach, we will exploit artificial intelligence tools to enhance impact and trade-off analyses.