Dans le cadre de ma thèse portant sur la détermination du niveau d’automatisation optimal pour la conception des lignes d’assemblage, une revue de littérature exhaustive a été élaborée en premier lieu sur le sujet. La revue a confirmé que peu de travaux traitent ce problème et montre un manque de méthodologies objectives et méthodiquement applicable afin de pouvoir fournir une aide à la décision d’automatisation. A la suite, les facteurs et critères intervenants dans la décision ont été identifiés. Une méthodologie guidant une décision multicritère dédiée aux systèmes d’assemblages a été établie. Cette méthode, permet la prise en compte de différents critères décisionnels, tels que : le temps et le coût d’assemblage, le critère qualité, l’aspect ergonomique, la stratégie et les préférences de l’industriel, la localisation et le contexte économique, la capacité d’investir ou l’aspect social de l’entreprise.La méthodologie de décision établie nécessite en particulier une méthode graphique standardisée de représentation du processus d’assemblage et de l’allocation des ressources. Les méthodes graphiques existantes concernant la représentation de processus d’assemblage ont été donc revues et analysées. Ceci a conduit à la définition d’une nouvelle méthode graphique dédiée établie par inspirations et combinaison de méthodes existantes afin de répondre aux exigences du sujet définies au préalable. Après définition de cette méthode baptisée ASML pour « Assembly Sequences Modeling Language », un vocabulaire standardisé de mouvements élémentaires d’assemblage a été réutilisé de la littérature.Un vocabulaire de plus haut niveau, celui des taches et techniques d’assemblage, en lien avec le premier, a ensuite été défini pour diverses raisons. Ceci permettra de bénéficier à la fois d’une facilité et d’une rapidité de modélisation avec l’utilisation du vocabulaire de taches défini, mais aussi des avantages du premier vocabulaire tel que la détermination des temps d’assemblage ou la détection des opérations répétitives comme signes propices pour une éventuelle automatisation à étudier. L’ensemble permet de définir, organiser, et représenter la séquence d’assemblage par analyse du design du produit. Une démarche d’allocation adéquate représente une conséquence directe qui a été définie en compagnie de certaines règles définie en cohérence avec les principes du « lean manufacturing ».Nous nous intéressons ensuite à l’intégration du critère coût vu l‘importance des investissements générés par des automatisations. Une revue exhaustive en estimation de coût a été ainsi établie. A la suite, un modèle intégré permettant l’estimation du coût d’assemblage par produit a été défini. Ce modèle, basé sur les estimations de temps du processus ainsi que sur des informations stratégiques de la production planifiée, a la vocation de prédire le coût d’assemblage par produit pour une alternative de système en question.A ce stade, tous les éléments sont réunis pour la modélisation et la prédiction de performance d’une alternative candidate de système d’assemblage. Or l’objectif est de déterminer la meilleure configuration possible, il est nécessaire d’appliquer l’approche sur plusieurs options possibles ou alternatives d’assemblage. Ce processus ne peut évidemment pas être réalisé d’une manière individuelle ou manuelle, et donc une implémentation d’un module de génération de scénarios possibles puis leurs évaluations est ainsi nécessaire. Cette implémentation a été réalisée par le développement d’une méthode de résolution exacte par formulation mathématique en un programme linéaire en nombre entiers. L’approche globale a été validée sur des exemples numériques, académiques de la littérature, mais aussi industriels. Les résultats s’avèrent ainsi prometteurs et représentent une approche innovante en matière de décision du niveau d’automatisation, un domaine qui manque de littérature et d’aide en décision. / This work is performed in the context of PhD dissertation of Anas Salmi in Grenoble INP – School of Industrial Engineering. The thesis is supervised by Dr. Eric Blanco (Grenoble INP – GSCOP laboratory) and co-supervised by Dr. Pierre David (Grenoble INP – GSCOP laboratory) and Pr. Joshua Summers (Clemson University – CEDAR laboratory).The work aims at defining a procedure and tool to help assembly manufacturers, particularly deciders, managers, and systems designers in the decision about automation for their assembly processes design. The purpose is to orient to the optimal Level of Automation (LoA) of the process since the early conceptual design phase.The purpose is to provide the most appropriate solution, most profitable, with consideration of the production requirements, product design features and characteristics, assembly sequence, and manufacturer’s exigencies and preferences and prior decision criteria from different point of views such as quality level, ergonomics, reliability, and manufacturer’s best practices and historical data. Different manufacturer’s constraints have also to be also taken into account in the decision such as social, financial and investment potentials, as well as the location and labor rate.A state of the art of the topic was realized and has shown that the literature about LoA deciding is not abundant. This need to support LoA deciding and delicacy of such process were also recognized by several assembly manufactures and researchers.A first main contribution consists in a multi-criteria LoA decision methodology proposal involving several identified decision criteria to be considered in the decision process.The approach generated a need to define an adequate modelling language. A new graphic Assembly Sequences Modeling Language (ASML) was then defined allowing conceptual assembly processes modelling since the early phase by assembly operations with different architectural possibilities. A standard model can be then defined introducing an intuitive and generic way to define systems with various automation levels alternatives.Rules and time standard databases were also developed allowing assembly systems ASML modelled time estimation based on standardized motions, corresponding time standards, and process’ architectures.To easier the alternatives generation and for better standardization, a high layer vocabulary of 20 standardized assembly tasks, associated to the modelling language, is defined. These developments allow a quick modelling and time estimation when automatically linked to the motions vocabulary.As the economic criterion represents the major occupation and criterion for every manufacturer in such heavy investment, an early phase cost model is developed after an exhaustive review in the field. The cost model, when combined to the previous developments, allows assembly systems alternatives cost prediction with consideration of selected automation options.To computerize the automation decision approach and the exhaustive generation of assembly systems alternatives for the sake of finding the optimal configuration, a mathematical integer formulation is developed and validated. The model is implemented in CPLEX OPL and allows the convergence to the optimal configuration with consideration of the different entered constraints and manufacturers preliminary preferences as input matrices.This work includes theoretical and industrial validations. It opens multiple perspectives and openings in the field of assembly systems design, particularly the rationalization of product and process integrated development by the assembly system automatic generation directly from the product design CAD tool. Other openings of work instructions generation and standardization may represent also promising openings.

Ce mémoire de thèse propose une approche pour l'obtention des bornes des performances temporelles d'une Architecture d'Automatisation en Réseau par preuves itératives de propriétés d'atteignabilité sur un modèle formel de l'architecture. Ces propriétés d'atteignabilité sont définies grâce à un automate observateur temporisé et paramétré, dont les gardes de certaines transitions sont fonction d'un paramètre temporel. A chaque itération, les résultats de preuves permettent de déterminer la valeur de ce paramètre pour la prochaine itération ; un algorithme de recherche par dichotomie assure la convergence des itérations. La mise en œuvre de cette approche sur des architectures de taille non triviale a nécessité le développement d'une méthode d'abstraction qui comporte deux étapes : simplification de la structure et modification des modèles formels des composants figurant dans la structure simplifiée, ceci afin de prendre en compte les phénomènes de concurrence entre requêtes émises par différents composants. Ces contributions formelles et méthodologiques ont été validées expérimentalement par le traitement de plusieurs cas de taille et complexité croissantes, basés sur le protocole Modbus TCP/IP.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans le contexte de l'ingénierie produit/processus des systèmes de fabrication. Ce contexte conduit à repenser l'intégration hiérarchique des procédés de production au profit de structures distribuées plus flexibles et reconfigurables. Plus précisément, la maîtrise de la variabilité des produits, notamment dans le cadre d'une production personnalisée de masse, impose de pouvoir adapter le contrôle de la production aux particularités de chaque produit et d'assurer individuellement leur traçabilité.<br /><br />Notre contribution porte sur la formalisation d'un cadre de modélisation du contrôle par le produit des systèmes d'exécution de la production, basé sur les techniques de synthèse proposées dans le contexte de la théorie de la commande par supervision de Ramadge & Wonham.<br /><br />L'originalité de ces travaux consiste à placer le produit au centre de la démarche d'automatisation, en assurant l'interopérabilité entre le contrôle des ressources du système de fabrication et le contrôle par le produit de son routage à travers le système.

Les clients des missions de drones sont demandeurs de systèmes d'information et de décision dans lesquels l'humain joue un rôle clé avec sa capacité unique d'analyse. Nous avons présenté comme première contribution un référentiel des niveaux d'automatisation qui interroge systématiquement sur le rôle de l'humain, et ce en rupture avec les référentiels précédents. Nous avons proposé comme seconde contribution un système décisionnel qui laisse les systèmes automatisés être incertains quant à l'ordre de certaines options de telle sorte que l'opérateur/superviseur puisse trancher. Afin d'augmenter le ratio nombre de drones / nombre d'humains, nous avons restreint l'usage de la décision humaine à l'arbitrage des conflits entre objectifs majeurs. Nous avons finalement expérimenté le sacrifice d'objectifs mineurs pour donner plus de temps à ces arbitrages. En conclusion nous rappellerons les mérites de nos deux contributions. LOA4 est un référentiel des niveaux d'autonomie centré sur l'humain, attentif à l'adaptation et compatible avec UML/PACT. Le système décisionnel que nous proposons est également centré sur l'humain et lui permet de jouer - même avec parcimonie et parfois au prix du sacrifice d'objectifs mineurs - un rôle clé basé sur sa capacité unique d'analyse. / Humans are still vital after years of automation and the clients of UAV mission systems want to preserve the human user’s key role because human knowledge, experience and judgment provide unique capability to analyze safety risks and to think ahead in uncertain and novel situations. Our first contribution is LOA4, a set of tree levels of automation in four dimensions to assess human involvement in partially automated systems. Previous sets focus too much attention on the computer rather than on the collaboration between the computer and its operator/supervisor. Unlike previous sets, our set systematically assess human involvement: is there none; some sometime; or some anytime. Its simplicity allow to recursively assess the situation of automation of a system based on the situation of automation of its parts. These information can be part of an IHM to increase the situation awareness in real time. Our second contribution is a mission system in which automated systems decide to delegate some decisions to humans. In order to increase the ratio number of “uavs / number of humans”, decisions that are untrusted to humans are mostly both ambivalent and critical. Some minor goals may be discarded to provide humans with more time to make their decisions. We implemented our approach and we report some results.

L'incorporation des instruments intelligents dans les boucles de sécurité nous mène vers une sécurité intelligente et les systèmes deviennent des « systèmes instrumentés de sécurité à intelligence distribuée (SISID) ». La justification de l'usage de ces instruments dans les applications de sécurité n'est pas complètement avérée. L'évaluation de la sûreté de fonctionnement de ce type de systèmes n'est pas triviale. Dans ce travail, la modélisation et l'évaluation des performances relatives à la sûreté de fonctionnement des systèmes instrumentés de sécurité (SIS) sont traitées pour des structures intégrant de l'intelligence dans les instruments de terrain. La méthodologie que nous utilisons consiste en la modélisation de l'aspect fonctionnel et dysfonctionnel de ces systèmes en adoptant le formalisme basé sur les réseaux de Petri stochastiques qui assurent la représentation du comportement dynamique de ce type de systèmes. La modélisation est traitée sous la forme d'une approche stochastique utilisant les réseaux d'activité stochastiques SAN (Stochastic Activity Network). L'introduction d'indicateurs de performances permet de mettre en évidence l'effet de l'intégration des niveaux d'intelligence dans les applications de sécurité. La méthode de Monte Carlo est utilisée pour évaluer les paramètres de sûreté de fonctionnement des SIS en conformité avec les normes de sécurité relatives aux systèmes instrumentés de sécurité (CEI 61508 et CEI 6151). Nous avons proposé une méthode et les outils associés pour approcher cette évaluation par simulation et ainsi apporter une aide à la conception des systèmes instrumentés de sécurité (SIS) intégrant quelques fonctionnalités des instruments intelligents.

La nécessité de prendre en considération les aspects sûreté de fonctionnement des systèmes automatisés, dès la phase de conception, pour tendre vers le concept de « systèmes automatisés sûrs de fonctionnement » représente aujourd'hui un enjeu majeur. <br />Nous présentons dans cette Habilitation à Diriger les Recherches le concept de systèmes automatisés sûrs de fonctionnement et procédons à une analyse de la problématique globale de la conception de tels systèmes. Nous identifions clairement les frontières des différents systèmes constituant les systèmes automatisés sûrs de fonctionnement : processus physique, systèmes d'automatisation, systèmes de sécurité, systèmes de contrôlabilité du risque (barrières). Pour ce faire, nous nous appuyons sur la notion de service rendu. <br />Nous introduisons ensuite les différents concepts de sûreté de fonctionnement des systèmes en dégageant deux grands niveaux : la sûreté de fonctionnement prédictive et la gestion de la sûreté de fonctionnement avec prise en compte des risques pour l'Homme et l'environnement. Cette étude aborde les aspects normatifs incontournables pour les systèmes industriels et décline notre point de vue sur la notion de complexité. L'identification de ces grands axes de recherche en conception des systèmes automatisés sûrs de fonctionnement nous permet de situer dans la communauté scientifique nos activités de recherche, dont les contributions et résultats sont présentés dans le mémoire selon deux axes :<br />• L'axe I porte sur la sûreté de fonctionnement de processus physiques avec une application à l'évaluation des paramètres FMD (Fiabilité-Maintenabilité-Disponibilité) des lignes de production dans le but d'en améliorer la performance,<br />• L'axe II porte sur la sûreté de fonctionnement des systèmes d'automatisation à intelligence distribuée avec la proposition d'une démarche de conception de tels systèmes et d'un formalisme pour la spécification des besoins et contraintes d'architecture, l'originalité de cette méthode repose sur la volonté d'obtenir une architecture validée par des paramètres de sûreté quantifiés. <br />De ces travaux découlent nos activités de recherche actuelles et futures relatives à l'analyse systémique de la sûreté de fonctionnement des systèmes complexes et à l'exploration de voies de recherche pour la proposition d'une méthodologie générique, indépendante du domaine d'application, pour la conception de systèmes complexes sûrs de fonctionnement.

Nous évaluons dans cette thèse deux performances temporelles des architectures d automatisation distribuées sur Ethernet commuté et utilisant un modèle de coopération client/serveur : Le temps de réponse entre une occurrence d un événement d entrée et l occurrence de l événement de sortie correspondant ; Le temps de cycle réeseau pour la scrutation par un contrôleur de l ensemble de ses modules d entrées / sorties déportées. La conjonction de trois mécanismes de consommation de temps rend ces deux performances variables et difficiles à déterminer de manière analytique. Par conséquent, la méthode proposée se base sur la simulation d un modèle en réseau de Petri temporisé et coloré du comportement dynamique de l architecture complète. Les résultats obtenus sur six architectures test permettent de : Montrer que les architectures multi-contrôleurs utilisant le modèle de coopération client / serveur donnent des temps de cycle réseau plus rapide que celles basées sur les modèles maître / esclave et producteur / consommateur ; Quantifier l influence du réseau et des mécanismes de consommation du temps.