Avec l'augmentation de la probabilité de fautes dans les circuits numériques, les systèmes développés pour les environnements critiques comme les centrales nucléaires, les avions et les applications spatiales doivent être certifies selon des normes industrielles. Cette thèse est un résultat d'une cooperation CIFRE entre l'entreprise Électricité de France (EDF) R&D et Télécom Paristech. EDF est l'un des plus gros producteurs d'énergie au monde et possède de nombreuses centrales nucléaires. Les systèmes de contrôle-commande utilisé dans les centrales sont basés sur des dispositifs électroniques, qui doivent être certifiés selon des normes industrielles comme la CEI 62566, la CEI 60987 et la CEI 61513 à cause de la criticité de l'environnement nucléaire. En particulier, l'utilisation des dispositifs programmables comme les FPGAs peut être considérée comme un défi du fait que la fonctionnalité du dispositif est définie par le concepteur seulement après sa conception physique. Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la conception de nouvelles méthodes d'analyse de la fiabilité aussi bien que des méthodes d'amélioration de la fiabilité d'un circuit numérique. / The design of circuits to operate at critical environments, such as those used in control-command systems at nuclear power plants, is becoming a great challenge with the technology scaling. These circuits have to pass through a number of tests and analysis procedures in order to be qualified to operate. In case of nuclear power plants, safety is considered as a very high priority constraint, and circuits designed to operate under such critical environment must be in accordance with several technical standards such as the IEC 62566, the IEC 60987, and the IEC 61513. In such standards, reliability is treated as a main consideration, and methods to analyze and improve the circuit reliability are highly required. The present dissertation introduces some methods to analyze and to improve the reliability of circuits in order to facilitate their qualification according to the aforementioned technical standards. Concerning reliability analysis, we first present a fault-injection based tool used to assess the reliability of digital circuits. Next, we introduce a method to evaluate the reliability of circuits taking into account the ability of a given application to tolerate errors. Concerning reliability improvement techniques, first two different strategies to selectively harden a circuit are proposed. Finally, a method to automatically partition a TMR design based on a given reliability requirement is introduced.

Avec l'avènement de l'ère numérique, accompagnée d'une automatisation et d'une puissance de calcul toujours croissante, le devenir des interactions humains-machines est appelé à des changements inéluctables. Le domaine de l'hydrologie prévisionnelle n'est pas indifférent à cette nouvelle réalité en regard des progrès constants de l'intelligence artificielle. En effet, il existe trois catégories de systèmes distincts qui interviennent en hydrologie prévisionnelle: manuel (in-the-loop), automatisé (out-of-the-loop) et supervisé (over-the-loop). Ces systèmes se distinguent par les interactions humains-machines qui les constituent. Le premier système nécessite indispensablement des interactions à son bon fonctionnement. Le second est complètement passif pour un usager externe et totalement hermétique. Le dernier permet des interactions, comprend des indicateurs de dysfonctionnement tout en étant complètement automatisée. Cette thèse est née de la conjoncture liée à deux initiatives indépendantes : (1) une dizaine d'années de recherche et développement menant à la création de HOOPLA "HydrOlOgical Prediction LAboratory"; et (2) l'implantation d'un nouveau système de gestion de données et de prévisions et d'alertes hydrologiques à la Direction de l'Expertise Hydrique du Québec permettant d'incorporer plusieurs systèmes de prévisions. Ce projet de recherche a pour motivation première l'amélioration des outils disponibles pour effectuer des prévisions hydrologiques dans le bassin versant du Saint-Laurent tout en laissant place au savoir et aux connaissances des experts-hydrologues. Pour ce faire, un système de prévisions hydrologiques opérationnel et complètement automatisé est mis en place tout au long du projet. Ce dernier, basé sur HOOPLA, incorpore plusieurs niveaux de redondance, notamment sur les données d'entrées, les modèles hydrologiques et les méthodes d'arrimage. La redondance est un concept largement utilisé dans les domaines de l'ingénierie, de l'aviation, de la météorologie et de l'informatique. Elle consiste en la duplication de composantes partageant les mêmes fonctionnalités. Elle permet d'établir des diagnostics et d'assurer une meilleure fiabilité. En hydrologie prévisionnelle, la redondance est omniprésente à plusieurs niveaux, mais elle est peu étudiée comme telle. Les résultats montrent qu'il est avantageux de recourir à la redondance interne dans un système. Cette dernière permet de déceler les défaillances et augmente les performances des prévisions lorsque ces dernières sont cohérentes. La multiplicité de systèmes de prévisions présente un enjeu de taille en ce qui concerne les dépassements de seuils. Cette thèse met en lumière les différentes mises en oeuvre possibles de la redondance en hydrologie prévisionnelle et expose ses enjeux et avantages dans un contexte opérationnel et heuristique. / With the advent of the digital era, with ever increasing automation and computing power, the future of humanmachine interactions is bound to change. The field of predictive hydrology is not indifferent to this new reality in view of the constant progress of programmable intelligence. Indeed, there are three distinct categories of systems involved in predictive hydrology: manual (in-the-loop), automated (out-of-the-loop) and supervised (over-the-loop). These systems are distinguished by the human-machine interactions that constitute them. The first system requires interactions for its proper functioning. The second one is passive and totally independent for a user, without however ensuring its good functioning. The last one allows for interactions and includes indicators of dysfunction while being completely automated. This thesis was born from the conjunction of a decade of research and development leading to the creation of HOOPLA "HydrOlOgical Prediction LAboratory" and the implementation of a new data management system and hydrological forecasts and alerts of the Direction de l'Expertise Hydrique du Québec allowing to incorporate several forecasting systems. This research project is primarily motivated by the improvement of the tools available to make hydrological forecasts in the St. Lawrence watershed while leaving room for the knowledge of expert hydrologists. To do so, an operational and fully automated hydrological forecasting system is be implemented throughout the project. This system, based on HOOPLA, incorporates several levels of redundancy, notably on input data, hydrological models and docking methods. Redundancy is a widely used tool in the fields of engineering, aviation, meteorology and computer science. It consists in the duplication of components sharing the same functionality. It allows to establish diagnoses and to ensure a better reliability. In predictive hydrology, redundancy is ubiquitous at several levels, but it is little studied as such. The results show that there are benefits to using internal redundancy in a system. The latter allows to detect failures and increases the performance of predictions when the latter are consistent. External system redundancy presents a significant challenge with respect to threshold violations. This thesis highlights the different possible implementations of redundancy in predictive hydrology and exposes its issues and benefits in an operational and heuristic context.

Avec l'avènement de l'ère numérique, accompagnée d'une automatisation et d'une puissance de calcul toujours croissante, le devenir des interactions humains-machines est appelé à des changements inéluctables. Le domaine de l'hydrologie prévisionnelle n'est pas indifférent à cette nouvelle réalité en regard des progrès constants de l'intelligence artificielle. En effet, il existe trois catégories de systèmes distincts qui interviennent en hydrologie prévisionnelle: manuel (in-the-loop), automatisé (out-of-the-loop) et supervisé (over-the-loop). Ces systèmes se distinguent par les interactions humains-machines qui les constituent. Le premier système nécessite indispensablement des interactions à son bon fonctionnement. Le second est complètement passif pour un usager externe et totalement hermétique. Le dernier permet des interactions, comprend des indicateurs de dysfonctionnement tout en étant complètement automatisée. Cette thèse est née de la conjoncture liée à deux initiatives indépendantes : (1) une dizaine d'années de recherche et développement menant à la création de HOOPLA "HydrOlOgical Prediction LAboratory"; et (2) l'implantation d'un nouveau système de gestion de données et de prévisions et d'alertes hydrologiques à la Direction de l'Expertise Hydrique du Québec permettant d'incorporer plusieurs systèmes de prévisions. Ce projet de recherche a pour motivation première l'amélioration des outils disponibles pour effectuer des prévisions hydrologiques dans le bassin versant du Saint-Laurent tout en laissant place au savoir et aux connaissances des experts-hydrologues. Pour ce faire, un système de prévisions hydrologiques opérationnel et complètement automatisé est mis en place tout au long du projet. Ce dernier, basé sur HOOPLA, incorpore plusieurs niveaux de redondance, notamment sur les données d'entrées, les modèles hydrologiques et les méthodes d'arrimage. La redondance est un concept largement utilisé dans les domaines de l'ingénierie, de l'aviation, de la météorologie et de l'informatique. Elle consiste en la duplication de composantes partageant les mêmes fonctionnalités. Elle permet d'établir des diagnostics et d'assurer une meilleure fiabilité. En hydrologie prévisionnelle, la redondance est omniprésente à plusieurs niveaux, mais elle est peu étudiée comme telle. Les résultats montrent qu'il est avantageux de recourir à la redondance interne dans un système. Cette dernière permet de déceler les défaillances et augmente les performances des prévisions lorsque ces dernières sont cohérentes. La multiplicité de systèmes de prévisions présente un enjeu de taille en ce qui concerne les dépassements de seuils. Cette thèse met en lumière les différentes mises en œuvre possibles de la redondance en hydrologie prévisionnelle et expose ses enjeux et avantages dans un contexte opérationnel et heuristique. / With the advent of the digital era, with ever increasing automation and computing power, the future of human-machine interactions is bound to change. The field of predictive hydrology is not indifferent to this new reality in view of the constant progress of programmable intelligence. Indeed, there are three distinct categories of systems involved in predictive hydrology: manual (in-the-loop), automated (out-of-the-loop) and supervised (over-the-loop). These systems are distinguished by the human-machine interactions that constitute them. The first system requires interactions for its proper functioning. The second one is passive and totally independent for a user, without however ensuring its good functioning. The last one allows for interactions and includes indicators of dysfunction while being completely automated. This thesis was born from the conjunction of a decade of research and development leading to the creation of HOOPLA "HydrOlOgical Prediction LAboratory" and the implementation of a new data management system and hydrological forecasts and alerts of the Direction de l'Expertise Hydrique du Québec allowing to incorporate several forecasting systems. This research project is primarily motivated by the improvement of the tools available to make hydrological forecasts in the St. Lawrence watershed while leaving room for the knowledge of expert hydrologists. To do so, an operational and fully automated hydrological forecasting system is be implemented throughout the project. This system, based on HOOPLA, incorporates several levels of redundancy, notably on input data, hydrological models and docking methods. Redundancy is a widely used tool in the fields of engineering, aviation, meteorology and computer science. It consists in the duplication of components sharing the same functionality. It allows to establish diagnoses and to ensure a better reliability. In predictive hydrology, redundancy is ubiquitous at several levels, but it is little studied as such. The results show that there are benefits to using internal redundancy in a system. The latter allows to detect failures and increases the performance of predictions when the latter are consistent. External system redundancy presents a significant challenge with respect to threshold violations. This thesis highlights the different possible implementations of redundancy in predictive hydrology and exposes its issues and benefits in an operational and heuristic context.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2023 / Afin d'augmenter la fiabilité d'un système, la méthode de conception la plus populaire consiste à augmenter le nombre de composantes redondantes. En général, quatre stratégies de redondance ont été développées dans la littérature, à savoir les stratégies active, passive, mixte et K-mixte. Les stratégies de redondance peuvent être utilisées pour des systèmes binaires et pour des systèmes multi-états. La complexité de l'évaluation de la fiabilité dépend de la configuration du système et de ses propriétés. Dans la littérature actuelle, il existe certaines limitations importantes relatives aux stratégies de redondance qui n'ont pas été suffisamment étudiées, aussi bien pour les systèmes binaires que pour les systèmes multi-états. Cette thèse identifie et aborde quelques questions importantes et difficiles à travers les contributions suivantes. Premièrement, pour les systèmes binaires, les stratégies de redondance présentent un degré élevé de complexité de calcul dans les modèles de fiabilité qui fournissent dans certains cas des limites inférieures de la fiabilité du système. Afin de réduire cette complexité, nous proposons un modèle basé sur des chaines de Markov à temps continu pour le calcul de la fiabilité exacte de systèmes *k* parmi *n* assujettis à des redondances active, passive, mixte et K-mixte. De plus, un modèle de simulation séquentiel de Monte Carlo est développé et une analyse de fiabilité est menée pour valider le modèle proposé. Un algorithme génétique est finalement développé pour résoudre un problème d'optimisation résultant de l'application des stratégies existantes aux systèmes parallèles-séries dans le contexte du modèle proposé. La seconde contribution de cette thèse concerne les systèmes multi-états dont les composantes peuvent fonctionner avec des niveaux de performances différents. Une analyse de fiabilité est conduite pour un système multi-état qui se détériore avec l'âge et qui est régi par une stratégie de redondance passive basée sur la demande. La fiabilité est évaluée pour différentes gammes de fréquences d'inspection et de maintenance. Nous examinons également un cas industriel de génération de l'énergie électrique pour lequel des opérations de maintenance et de réhabilitation sont implémentées. Un algorithme génétique est développé pour déterminer la fréquence optimale d'inspection, de maintenance et de réhabilitation tout en considérant la fiabilité du système. C'est la première fois que ce type d'analyse et d'optimisation de la fiabilité est considéré dans la littérature. Les résultats numériques illustrent l'efficacité de l'approche proposée. La dernière contribution de la thèse consiste à proposer un nouveau concept appelé Stratégie de Redondance Universelle (SRU) pour les systèmes binaires et multi-états. La SRU inclut toutes les stratégies précédentes tout en offrant la possibilité d'explorer une variété d'autres options jamais explorées dans la littérature. Dans toutes les stratégies existantes, l'insertion de composantes redondantes est déclenchée par des défaillances spécifiques des composantes fonctionnelles, mais la stratégie nouvellement développée permet le changement des composantes redondantes en tout temps par des insertions ou des retraits séparés ou simultanés. Comme la SRU permet l'activation de n'importe quel nombre de composantes redondantes en tout temps, la redondance du système peut être configurée de façon optimale en changeant la configuration au temps optimal. Le concept de la SRU est illustré dans un contexte de maximisation de la fiabilité d'un système parallèle-série avec des composantes binaires. / Increasing the number of redundant components in a system is the most popular design method to increase reliability. In general, four strategies have been proposed in the literature: active, standby, mixed, and K-mixed. Redundancy strategies can be used in both binary and multi-state systems. The complexity of reliability calculation depends on the system configuration and properties. In the existing literature, there are some important limitations to redundancy strategies that have not been fully addressed in both binary and multi-state systems. The present thesis identifies and addresses some important and challenging issues through the following contributions. First, for binary systems, redundancy strategies present a high degree of computational complexity in reliability models, which in some cases provide lower bounds of the system reliability. To reduce this complexity, we propose a model based on Continuous Time Markov Chains (CTMC) for calculating the exact reliability of *k*-out-of-*n* systems under active, standby, mixed, and K-mixed redundancy strategies. Furthermore, a sequential Monte Carlo simulation model is developed, and a reliability analysis is conducted to validate the proposed model. A genetic algorithm is finally developed to solve an optimization problem resulting from the application of the existing strategies to series-parallel systems in the context of the proposed model. The second contribution of this thesis is related to multi-state systems, where components can have different performance levels. A reliability analysis is conducted for an aging multi-state system under a demand-based cold-standby redundancy strategy. Reliability is evaluated for different frequency ranges of inspection and maintenance. We also examine an aging power plant designed under a standby strategy, in which maintenance and rehabilitation operations are implemented. In order to determine the optimal frequency of inspection, maintenance and rehabilitation, while considering system reliability, a genetic algorithm is developed. This is the first time that this kind of reliability analysis and optimization is considered in the literature. The numerical results illustrate the effectiveness of the proposed approach. The last contribution of the thesis consists of proposing a new concept called Universal Redundancy Strategy (URS) for binary and multi-state systems. The URS includes all of the previous strategies while providing a variety of other options never explored in the literature. In all existing strategies, the insertion of redundant components has been triggered by specific failures of operating components, but the newly developed strategy allows for the change of redundant components at any time, by inserting or removing these components separately or simultaneously. As the URS allows any number of redundant components to be activated at any time, system redundancy can be configured optimally by changing the configuration at the optimal time. The URS concept is illustrated in the context of reliability maximization of a series-parallel system with binary components.

La quantité de données numériques produites par les utilisateurs, comme les photos, les vidéos et les documents numériques, a énormément augmenté durant cette dernière décennie. Ces données possèdent une grande valeur et nécessitent d'être sauvegardées en sécurité. D'une part, les solutions basées sur les DVDs et les disques durs externes, bien que très communes, ne fournissent pas un niveau suffisant de fiabilité. D'autre part les solutions basées sur de serveurs centralisées sont très coûteuses. Pour ces raisons, la communauté de recherche a manifesté un grand intérêt pour l'utilisation des systèmes pair-à-pair pour la sauvegarde de donnés. Les systèmes pair-à-pair représentent une solution intéressante grâce à leur capacité de passage à l'échelle. En effet, la capacité du service augmente avec la demande. La conception d'un réseau de sauvegarde de fichiers pair-à-pair est une tâche très complexe et présente un nombre considérable de défis. Les pairs peuvent avoir une durée de connexion limitée et peuvent quitter le système à un taux qui est considérablement plus élevé que dans le cas des systèmes de stockage centralisés. Notre intérêt se concentre sur la manière de fournir efficacement du stockage de données suffisamment fiable en appliquant des schémas de redondance appropriés et en adoptant des bons mécanismes pour maintenir une telle redondance. Cet effort n'est pas négligeable, dans la mesure où la maintenance du stockage de données dans un tel système exige des ressources importantes en termes de capacité de stockage et de largeur de bande passante. Notre contribution se porte sur deux aspects. Premièrement, nous proposons et étudions des codes correcteurs pour la redondance capables de combiner l'efficacité en bande passante de la réplication à l'efficacité en stockage des codes correcteurs classiques. En particulier, nous présentons et analysons deux nouvelles classes de codes: Regenerating Codes et Hierarchical Codes. Deuxièmement, nous proposons un système de réparation, nommé "adaptive proactive repair scheme", qui combine l'adaptabilité des systèmes réactifs avec l'utilisation régulière de la bande passante des systèmes proactifs, en généralisant les deux approches existantes.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie mécanique, productique, transport : Poitiers : 2008. Reproduction de : Tesis de doctorado : Ciencias en Ingeniería eléctrica : Instituto tecnologico de La Laguna (Torreon, Mexique) : 2008. / Texte en espagnol. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 62 réf.

Un des enjeux actuels de la recherche sur les robots parallèles est de concilier grandes capacités dynamiques<br />et bonne précision. Les travaux présentés dans cette thèse contribuent à la résolution de cette<br />problématique. Trois approches ont été considérées : l'étalonnage géométrique à partir de mesures externes,<br />l'utilisation de la redondance métrologique et enfin l'application du principe de mesure dissociée.<br />Tout d'abord, l'étalonnage géométrique classique d'un robot Delta linéaire puis du premier prototype<br />du robot Par4 sont présentés. Cette méthode, bien qu'efficace dans le cas de problèmes quasi-statiques,<br />s'avère insuffisante lorsque des efforts appliqués sur la structure du robot entraînent des déformations de<br />celui-ci. Le cas des robots parallèles à redondance d'actionnement présente ainsi la particularité d'être<br />difficile à étalonner car des contraintes internes peuvent apparaître dans ces mécanismes et déformer<br />leur structure. C'est pourquoi une méthode pour transformer la redondance d'actionnement en redondance<br />cinématique a été proposée. La redondance métrologique a également été étudiée et plusieurs<br />méthodes tirant profit de cette redondance ont été analysées et testées. Enfin, le concept de dissociation<br />entre l'actionnement et la mesure est introduit. Ce concept, novateur en robotique parallèle, repose<br />sur la séparation entre la transmission du mouvement et des efforts et la mesure de l'état du robot. Ce<br />concept a été appliqué sur une machine-outil à architecture parallèle et un prototype a été réalisé. Des<br />lois de commande ont été testées et les résultats en termes d'amélioration de la précision sont présentés.

La sécurité des systèmes de transports intelligents est au centre de tous les débats. Afin de s’assurer un fonctionnement sécuritaire, il est nécessaire de pouvoir vérifier le bon fonctionnement des capteurs permettant d’avoir une parfaite connaissance de l’environnement et de l’état du véhicule. Cette thèse présente une nouvelle solution de détection et d’identification de faute pouvant apparaitre sur les capteurs embarqués d’un véhicule intelligent. Cette méthode est basée sur la redondance analytique des données, consistant à estimer une même mesure à l’aide de capteurs de différentes natures. Cette mesure subit alors une transformation non linéaire permettant à la fois d’accroitre la sensibilité aux fautes et d’être plus robuste aux bruits. Cette étude propose plusieurs solutions de transformation et d’estimation qui seront évaluées en simulation avant de proposer une méthode d’optimisation de la prise de décision en fonction de critères choisis par l’utilisateur. La description de l’architecture, des méthodes employées ainsi que des équations permettant l’établissement de celle-ci seront décrites dans le chapitre 3. L’évaluation en simulation des performances de l’architecture sera effectuée dans le chapitre 4 avant une analyse finale des résultats ainsi qu’une comparaison avec une solution existante dans le dernier chapitre, permettant la validation de notre approche.

Dans ce mémoire, une approche cohérente pour apprécier la redondance des ponts en béton armé, vis-à-vis de critères de service, a été présentée. La redondance est définie comme la capacité d'un pont à redistribuer les efforts dus aux charges extérieures, sur l'ensemble de ses éléments constitutifs. Afin d'étudier au mieux la redondance dans les ponts, nous avons envisagé d'intégrer un processus de dégradation et d'évaluer son impact sur la redondance dans les ponts en béton armé. Afin de prendre en compte les incertitudes liées aux variables dans l'évaluation des ponts endommagés, une approche probabiliste a été considérée. Les techniques classiques de la théorie de la fiabilité permettent aujourd'hui de calculer de diverses manières la probabilité de défaillance d'un élément particulier, sous réserve de disposer d'une caractérisation probabiliste des variables et d'un état limite explicite. Cependant, pour des ouvrages complexes, il est presque impossible de se procurer des états limites explicites ; la fonction d'état limite ne peut être évaluée que par calculs, notamment aux éléments finis. Les méthodes combinant les techniques de fiabilité avec le calcul aux éléments finis sont aussi appelées méthodes de fiabilité aux éléments finis (MFEF). Une approche consiste à construire « artificiellement » la fonction d'état limite en utilisant un polynôme ajusté aux résultats d'un nombre limité de calculs aux éléments finis. Cette fonction peut alors être utilisée pour évaluer la probabilité de défaillance au moyen de techniques classiques de fiabilité. Ce type d'approche est appelé méthode de surfaces de réponse (MSR). L'algorithme de construction de cette méthode a été mis en oeuvre au sein de la boîte à outils ReliabTbx, développée sous l'environnement Matlab©. Cette dernière fait appel soit au code de calcul aux éléments finis CESAR-LCPC© soit au code de calcul de structures à barres, SETRA-ST1© selon les cas, pour la réalisation des expériences numériques. Une étude originale sur la fiabilité des systèmes au niveau de l'ensemble de l'ouvrage, a été également abordée par la méthode de surfaces de réponse. L'analyse de la redondance d'un pont passe donc par l'ajustement d'une fonctionnelle décrivant son comportement global ; c'est ce que nous avons réalisé avec l'utilisation de surfaces de réponse. Il s'agit d'étudier la redondance, d'une part, d'un point de vue de la performance du système global et d'autre part, d'un point de vue de la réserve entre la performance des éléments individuels et celle du pont dans sa globalité. Cela exprime l'importance des éléments individuels sur la réserve d'un ouvrage, notamment endommagé.

Texte remanié de: Diss.--Literaturwissenschaft--Tübingen, 1978. / Résumé en anglais. Bibliogr. p. 228-238.