Problématique et état de l’art : La rétro-conception et l’ingénierie des connaissances

Contexte industriel 

Durant cette étude, le travail a été mené sur la rétro-conception d’assemblages mécaniques à l’aide de l’intégration des données hétérogènes issues de différentes sources, s’appuyant sur l’extraction des informations et l’intégration des connaissances.

Les assemblages mécaniques regroupent une multitude de solutions technologiques et de pièces mécaniques. Rétro-concevoir un assemblage, c’est faire une rétro-conception de chaque pièce, et comme chaque pièce a des caractéristiques qui lui sont uniques, une quantité d’informations et de données très importantes est générée. Prenons comme exemple un moteur de voiture : il est constitué de plusieurs centaines de pièces en moyenne et intègre des savoir-faire et connaissances de domaines divers et variés, notamment avec l’intégration de capteurs électroniques, de calculateurs, de bobines d’allumages magnétiques, des injecteurs piézoélectriques, etc. La nomenclature est souvent réutilisée par les constructeurs à quelques variations près (selon qu’elle soit pour un moteur à essence ou diesel), cependant, il réside une différenciation entre chaque type de moteur d’une même catégorie (essence ou diesel), cette différenciation est de l’ordre fonctionnel (telle qu’une cylindrée différente) ou de l’ordre structurel (une adaptation à un véhicule différent). Il subsiste aussi une différenciation due à l’innovation d’un composant qui prend place dans cet assemblage et remplace un autre organe.

Les collaborateurs dans l’entreprise tendent alors à réutiliser les connaissances et informations qu’ils ont déjà sous la main, et de les adapter au contexte dans lequel se trouve le nouveau projet [Gomez Perez & al. 99], [Lin & al. 09]. Selon les types d’informations dont ils ont besoin, ils réalisent instinctivement des processus de reconception, de refabrication ou encore de reengineering pour pouvoir adapter ces connaissances au contexte. Chacun de ces processus s’appuie sur la rétro conception, qui leur permet de récupérer les informations dont ils ont besoin, que ce soit des fonctions, des spécifications, des informations sur la structure ou autres. Le processus de développement de produit, dans ces cas-là, se trouve être associé d’une manière discrète à la reconception, au reengineering, ou encore à la refabrication, d’éléments et parfois de sous-systèmes complets. Dans certains cas, on aura besoin de reconstruire un document ou un artéfact important, qui constitue un support d’informations pour beaucoup d’équipes, notamment le modèle CAO. Cela peut être fait soit par la reconstruction du modèle à partir de zéro, soit par la rétro-conception manuelle en utilisant un modèle déjà existant. Donc, la rétro conception qui réutilise les connaissances produit, présenterait des enjeux non négligeables à l’entreprise, notamment dans le ciblage des informations à réutiliser.

Le regard a été porté sur un ensemble de pièces mécaniques simplifié (figure 2.1), qui constitue le principe de fonctionnement de base d’un moteur, à savoir, la transformation et la transmission d’énergie. A travers l’utilisation de cet assemblage, nous avons pu analyser le processus de rétro-conception dans sa globalité. L’objectif dans ce contexte, est donc de développer un outil qui permettrait une gestion et une manipulation des informations et des connaissances dans le cadre de la rétro-conception pour des objectifs divers tels que la reconception, la refabrication ou le reengineering.

Projet ANR METIS 

Le projet METIS est un projet national labellisé et financé par l’ANR. Ce projet se propose de développer un outil d’aide à la rétro-conception en intégrant des données produit, de sources et formes différentes, et non pas restreintes à des descriptions géométriques ou topologiques. La figure 2.2 schématise le positionnement du processus de METIS, dans le contexte du cycle de vie d’un système dont la structure, les informations et connaissances associées, et la maquette numérique évoluent dans le temps.

La donnée principale – qui est la maquette numérique, de par sa richesse sémantique [Agathos & al. 07] – peut ne pas exister au départ du processus de METIS. Il en résulte deux scénarios d’utilisation de METIS distinct :
♦ Existence d’une maquette numérique du système à une version antérieure (qui présente un décalage avec le système dans sa phase de vie actuelle), qui sera utilisée et augmentée des données hétérogènes.
♦ L’absence d’une maquette numérique qui contraint METIS à en recréer une, et qui sera augmentée des données hétérogènes.

Donc, le système réel et les informations et connaissances le concernant dont on dispose représentent les données d’entrée de METIS. METIS vise à combler les lacunes des méthodologies et outils classiques de la rétro-conception à travers l’intégration de connaissances produit relatives au contexte PLM, et l’utilisation de données hétérogènes que l’on peut trouver sur les produits analysés [Ouamer-Ali & al, 14]. Donc, l’une des problématiques principales de METIS est la gestion des connaissances dans sa vision globale, allant de la capture des connaissances à travers l’analyse des processus métier et la mise en place des connaissances formalisées par les experts de ces métiers, jusqu’à son utilisation dans le processus de rétro-conception. La seconde problématique est la mise en place d’une nouvelle méthodologie de rétro-conception qui permet de prendre en compte les différentes connaissances formalisées précédemment, et donc d’intégrer un contexte d’étude plus large que celui de la géométrie ou topologie seules. La troisième problématique concerne la mise en place d’outils d’extraction d’informations à partir des données hétérogènes, caractérisée par le développement de différents algorithmes de traitement de données spécifiques (extraction d’entités géométriques à partir de modèles 3D ou nuages de points, ou encore, identification des parties d’informations relatives au produit à partir d’un texte), et de les intégrer dans le processus de rétro conception. Finalement, METIS vise à faire de la rétroconception pour les ensembles mécaniques complexes (grands assemblages avec un nombre de pièces important).

Le projet ANR METIS regroupe six partenaires :
♦ Deux partenaires industriels :
o DeltaCAD : qui intervient dans le domaine de la rétro-conception dans le cadre de plusieurs projets industriels (notamment ANR PHENIX, le précurseur de METIS). Il se positionne comme maître d’œuvre, et s’occupe de l’implémentation informatique des solutions développée dans METIS, ainsi que de la gestion du projet.
o IFP Energies Nouvelles : qui travaille dans le domaine de la production d’énergie notamment dans l’innovation des groupes motopropulseurs (GMP) dans l’industrie automobile. Il a été confronté à plusieurs scénarios nécessitant la rétro-conception à des fins de reconstruction de GMP pour la recherche. Il se positionne comme maître d’ouvrage, et propose des cas d’étude pour METIS.
♦ Quatre laboratoires de recherche qui ont pour mission de lever les verrous scientifiques relatifs au projet METIS, en apportant des réponses méthodologiques et conceptuelles. Les laboratoires sont :
o Le laboratoire Roberval : qui développe des connaissances, méthodes et outils permettant d’optimiser la mise en œuvre des modèles numériques du produit en conception mécanique. Il travaillera sur la problématique d’extraction des données d’analyses à travers la mise en place de mécanismes de signature pour les données virtuelles (nuages de points, modèles 3D).
o Le LSIS : (Laboratoire des Sciences de l’Information et des Systèmes) qui traite la problématique liée à la l’intégration des connaissances métier en vue de l’émergence progressive de la maquette numérique, en s’appuyant sur les compétences de modélisation des interfaces métier en conception et sur la gestion et la manipulation de la maquette numérique.
o Le LASMIS : (Laboratoire des Systèmes Mécaniques et Ingénierie Simultanées) qui travaille sur l’amélioration des processus de développement de produit par intégration des connaissances et de contraintes expertes du point-devue de la fabrication, du tolérancement mais aussi des impacts environnementaux. Il a travaillé sur des projets de rétro-conception notamment sur le projet ANR PHENIX.
o L’IRCCyN : (Institut de Recherche en Communication et Cybernétique de Nantes) qui s’occupe du développement des méthodes et outils pour la modélisation, l’analyse, le pilotage, la conception et l’optimisation de systèmes au sens large, aura donc à déployer une ingénierie à base de connaissances multivues dans METIS.

Contexte scientifique

La rétro-conception est une activité qui ne date pas d’aujourd’hui. Elle consiste en l’analyse de produits finis dans le but d’en réaliser des représentations. Les travaux sur la rétro-conception ont commencé avec des activités de métrologie afin de mesurer les dimensions des objets, pour en extraire la géométrie, qui par la suite, sera utilisée dans sa reconstruction [Wang, 10]. L’évolution de la métrologie, avec l’arrivée d’outils technologiques plus avancés tels que le scan 3D et les machines à mesure de coordonnées (CMM), et en combinaison avec les nouvelles techniques et méthodes de la conception assistée par ordinateur (CAO), ont conduit à une facilitation du processus d’acquisition des données géométriques, qui passent du scanner à la CAO, après le processus de traitement de celles-ci [Nartz & al. 02].

La rétro-conception n’est pas une fin en soi, mais un outil utilisé pour remplir un objectif précis [Chikofsky & al. 91]. Les objectifs principaux pour lesquels on utilise la rétro-conception sont la refabrication, ou encore la reconception de pièces [Sokovic & al.05]. Les activités de refabrication et de reconception sollicitent un grand nombre de ressources en termes d’informations relatives au produit. Si la refabrication ne nécessite que des données géométriques et topologiques, ainsi que des données sur les matériaux et les méthodes de fabrication, la reconception nécessite la prise en compte de tout un panel de connaissances allant de la modélisation fonctionnelle au calcul de structures jusqu’à la fabrication [ProDes, 03]. De ce fait, les données géométriques et topologiques ne suffisent plus à combler le besoin en ressources pour réaliser ces activités. Néanmoins, plusieurs travaux ont été engagés afin d’intégrer les différentes connaissances géométriques, dans le but d’automatiser le processus, au moins pour l’activité d’acquisition des données et de leur prétraitement. Nous trouvons le projet REFAB qui avait pour objectif de permettre l’extraction des entités géométriques à partir d’un modèle 3D [Thompson & al. 99], ou encore le projet VPERI qui avait pour objectif la mise en place de stratégies différentes pour la rétro-conception du point-de-vue géométrique des pièces mécaniques de remplacement pour véhicules militaires [VPERI]. D’autres projets ont eu pour objectif d’améliorer la qualité des données acquises, dans le but d’améliorer la performance des algorithmes de prétraitement de ces données, et donc d’automatisation. Cependant, le processus de rétro-conception reste long et fastidieux. En plus, l’intégration des connaissances dans ces projets se limite à des connaissances sur la forme de l’objet (topologie et géométrie).

Le travail présenté dans ce manuscrit s’inscrit donc dans le cadre de la mise en place d’une méthodologie globale de rétro-conception, qui prend en compte les différentes connaissances qui constituent le contexte global du produit relatif à son cycle de vie [Ouamer-Ali & al. 15b]. Il s’agit donc de proposer un processus qui tienne compte des différents types de connaissances (géométriques, mais aussi de conception, de modélisation fonctionnelle, de fabrication, de spécification, etc.) intervenants dans le cycle de vie du produit. Nous nous intéresserons principalement aux connaissances « produit », dans le but de mettre en place une description de celui-ci formalisée à travers un méta-modèle. L’objectif est d’utiliser le modèle afin de structurer les informations à extraire des données hétérogènes. Cette structuration sera faite au moyen d’un lien qu’on identifiera entre les données hétérogènes, et le modèle-produit.

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Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I – Introduction au contexte général de la thèse
I. Introduction générale
II. Présentation du contexte général de la thèse
III. Plan de la thèse
Chapitre II – Problématique et état de l’art : La rétro-conception et l’ingénierie des connaissances
Problématique et contexte spécifique de notre étude
I. Motivations
1. Contexte industriel
2. Projet ANR METIS
3. Contexte scientifique
II. Problématique
III. Hypothèses et objectifs
Introduction à l’état de l’art
Rétro-conception : Concepts, méthodes et techniques
I. Débuts de la rétro-conception
II. Rétro-conception : Définitions
1. Définitions de la rétro-conception
2. Proposition d’une nouvelle définition pour la rétro-conception dans notre contexte
a. Niveaux d’abstraction et degrés d’abstraction
b. Informations et connaissances
c. Nouvelle définition de la rétro-conception
III. Finalités de la rétro-conception
1. Refabrication
2. Reengineering
3. Reconception
IV. Travaux sur la rétro-conception
1. La rétro-conception conventionnelle
2. Méthodologies
a. REFAB
b. VPERI
c. MERGE
d. PHENIX
e. DHRM : Rétro-conception d’objets industriels à caractère patrimonial
V. Conclusion de la partie
Ingénierie des connaissances : Concepts, outils, et méthodes
I. Définitions de la connaissance
II. Typologie de la connaissance
III. La représentation des connaissances
1. Formes de représentation des connaissances
2. Difficulté d’utilisation
IV. Modélisation des connaissances
1. La capitalisation des connaissances
2. L’élaboration des modèles
a. Modèle FBS
b. CPM et OAM
c. Modèle holonique
d. Modèle PPO
e. Modèle FBS-PPRE
f. Modèle MOKA
g. Synthèse
V. Conclusion de la partie
Conclusion du chapitre II : Evolution de la rétro-conception
I. Manques relatifs à la rétro-conception
1. Prise en compte des données hétérogènes
2. Intégration des connaissances
II. Evolution du point de vue conceptuel
III. Evolution du point de vue opérationnel
1. Caractérisation du sous-système de traitement des données hétérogènes
2. Caractérisation du sous-système de gestion des connaissances
3. Intégration des systèmes
IV. Formalisation de la nouvelle méthodologie de rétro-conception
Chapitre III – Proposition d’une nouvelle méthodologie de rétro-conception intégrée
Introduction au chapitre III
Intégration des données hétérogènes pour la rétro-conception
I. La représentation de l’information et des connaissances
1. La représentation conceptuelle
2. La représentation formelle (opérationnelle)
II. Intégration des données hétérogènes
1. Définition de l’intégration des données hétérogènes
2. Informations à extraire des données hétérogènes
3. Lien entre les données hétérogènes, et le modèle-produit
4. Exploitation du lien dans le cadre de la rétro-conception
III. Processus d’analyse des données hétérogènes
1. Modèle de données pour l’analyse des données hétérogènes
2. Analyse des représentations formelles
a. Identification du type de la donnée à analyser
b. Prétraitement de la donnée à analyser
3. Analyse des représentations conceptuelles
a. Identification des types d’informations prétraitées
b. Analyse des informations
IV. Conclusion de la partie
Rôle des connaissances dans la nouvelle méthodologie de rétro-conception
I. Les niveaux d’abstraction des représentations du produit
II. Formalisation du produit dans le contexte de rétro-conception
1. Le processus de conception classique
2. Différences entre la rétro-conception et la conception
a. Approche ascendante contre approche descendante
b. Différences entre les concepts initiaux utilisés dans les deux processus
3. Différences entre les représentations du produit dans la conception et la rétro-conception
III. Représentation du produit dans la rétro-conception
1. Représentation absolue du produit (informations intrinsèques)
a. Description de la représentation absolue
b. Modèle-produit : représentation intrinsèque
2. Représentation relative du produit
a. Description de la représentation relative
b. Modèle-produit : représentation relative pour la conception
3. Lien entre la représentation absolue et les représentations relatives
IV. Conclusion de la partie
CONCLUSION

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