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Sujet de stage : Modélisation et évaluation par réseaux de Petri de la sûreté de fonctionnement des systèmes industriels en présence des processus de vieillissement et de dégradation des composants
Dates : 2017/02/27 - 2017/09/29
Etudiant : Grâce BOYER
Directeur(s) CRAN : Nicolae BRINZEI
Description : Contexte et objectifs
En lien avec le projet de recherche intitulé « Le VIeillissemenT dans la sûreTé de fonctionnement : EvaLuation de son impact sur la compétitivité et la fiabilité de l’usine du futur (VITTEL) » du CRAN, ce sujet de stage s’intéresse à l’expérimentation des approches de représentation du processus de vieillissement et/ou de dégradation des composants afin de modéliser et évaluer de façon probabiliste le comportement fonctionnel/dysfonctionnel des systèmes industriels.
Description
L’amélioration de la compétitivité et de la fiabilité des systèmes industriels d’aujourd’hui est un défi majeur qui nécessite une modélisation plus fine et une analyse plus approfondie de tous les phénomènes impactant leur comportement fonctionnel/dysfonctionnel. L’usine du futur devra être plus performante, plus intelligente, plus respectueuse de l’environnement et plus soucieuse de la qualité de vie au travail, tout en utilisant ou en intégrant au moins en partie des systèmes de production déjà existants. Ainsi, les phénomènes de vieillissement et de dégradation inhérent aux systèmes industriels et affectant leurs composants peut avoir un impact négatif sur les performances de ces systèmes en termes de compétitivité, mais aussi de leur sûreté de fonctionnement, ces phénomènes pouvant favoriser l’occurrence des événements dangereux pour la vie humaine ou pour l’environnement. Or, les méthodes classiques d’évaluation de la sûreté de fonctionnement se trouvent à leurs limites du fait de la complexité de description des interactions entre les processus et le contrôle-commande, qui ne sont plus représentables par les méthodes statiques de type arbre de défaillances ; l’évaluation de la sûreté ne pourra se faire qu’à l’aide de modèles dynamiques de type états-transitions.
Ce sujet de stage s’intéresse à l’approche de modélisation et d’évaluation par des réseaux de Petri (qui forment à côté des automates à états-finis les deux classes principales des outils de modélisation et d’analyse, tout en permettant d’éviter l’explosion combinatoire de la taille du modèle qui constitue l’inconvénient majeur des automates à états finis). Dans une première étape des modèles de réseaux de Petri (colorés, stochastiques) devront être développés afin de modéliser les processus de vieillissement et de dégradation des composants de systèmes industriels. L’âge des composants représenté par des variables aléatoires devra être pris en compte lors de l’évolution du réseau de Petri (RdP) en accord avec les différentes stratégies possibles de prise en compte de la mémoire temporelle lors du franchissement des transitions (réinitialisation, age memory, enabling memory). Le processus de dégradation sera pris en compte soit en déterminant une loi de probabilités équivalente qui ensuite sera intégrée dans le RdP ou bien par sa modélisation explicite directement dans le RdP (approche de fiabilité dynamique). Les modèles RdP développés seront ensuite utilisés pour l’étude des quelques architectures type des composants en parallèle avec une stratégie de redondance chaude, froide, … rencontrés souvent dans les systèmes industriels. Des comparaisons avec des modèles analytiques (processus stochastiques associés aux modèles RdP) permettront la validation formelle de RdP. La simulation de modèles RdP et l’analyse des résultats obtenus permettra de conclure sur l’adéquation des modèles proposés.

Références
[1] Ajmone-Marsan M., Balbo G., Conte G., Donatelli S., Franceschinis G., Modelling with Generalized Stochastic Petri Nets, John Wiley, 1995.
[2] Aubry J.F., Brinzei N., Systems Dependability Assessment: Benefits of Petri Net Models, Wiley-ISTE, (2016).
[3] Chew S.P., Dunnett S.J., Andrews J.D. “Phased mission modelling of systems with maintenance-free operating periods using simulated Petri nets”, Reliability Engineering and System Safety, vol. 93, (2008), pp. 980-994.
[4] Do P., Bérenguer Ch., “Condition-based maintenance with imperfect preventive repairs for a deteriorating production system”, Quality and Reliability Engineering International, vol. 26, no. 6, (2012), pp. 624-633.
[5] Li Y.F., Zio E., Lin Y.H., “A multi-state physics model of component degradation based on stochastic Petri nets and simulation”, IEEE Transactions on Reliability, vol. 61, no. 4, (2012), pp. 921-931.
[6] Nývlt O., Haugen S., Ferkl F., “Complex accident scenarios modelled and analysed by Stochastic Petri Nets”, Reliability Engineering and System Safety, vol. 142, (2015), pp. 539-555.
[7] Pinna B., Babykina G., Brinzei N., Pétin J.F., “Using Coloured Petri nets for integrated reliability and safety evaluations”, 4th IFAC Workshop on Dependable Control of Discrete Systems DCDS’13, York (United Kingdom), (2013), 19-24.
[8] Pozsgai P., Bertsche B., “Conjoint Modelling with Extended Coloured Stochastic Petri Net and Reliability Block Diagram for System Analysis”, Proc. of the 7th International Conference on Probabilistic Safety Assessment and Management (PSAM 7 - ESREL’04), pp. 1382-1387.
[9] Rieker T., Zeiler P., Bertsche B., “Reliability Modelling of a Hybrid Car Drive System with advanced Petri Nets considering dependencies and aging”, European Safety and Reliability Conference ESREL 2015, in Safety and Reliability of Complex Engineered Systems, Eds: L. Podofillini, B. Sudret, B. Stojadinovic, E. Zio, W. Kröger, Zurich (Switzerland), CRC Press/Balkema, Taylor & Francis Group, (2015), pp. 1689-1697.
[10] Signoret J.P., Dutuit Y., Cacheux P.J., Folleau C., Collas S., Thomas P., “Make your Petri nets understandable: Reliability block diagrams driven Petri nets”, Reliability Engineering and System Safety, vol. 113, (2013), pp. 61-75.
[11] Wu X.Y, Wu X.Y, “Extended object-oriented Petri net model for mission reliability simulation of repairable PMS with common cause failures“, Reliability Engineering and System Safety, vol. 136, (2015), pp. 109-119.
Mots clés : sûreté de fonctionnement, réseaux de Petri, évaluation probabiliste, vieillissement, dégradation
Conditions : Employeur: Université de Lorraine
Durée: 6 mois
Candidature
Le candidat doit posséder des connaissances en Sûreté de Fonctionnement (processus stochastiques, évaluation probabiliste, simulation de Monte-Carlo) et/ou en Systèmes à Evénements Discrets (Réseaux de Petri). Afin de pouvoir implémenter le modèle en réseaux de Petri, le candidat travaillera sous CPNTools et il sera amené à traiter les données de simulation sous Scilab/Scicos.
La candidature doit comprendre une lettre de motivation, un CV, ainsi que les noms et les coordonnées de deux personnes acceptant d’envoyer des lettres de recommandation. Elle devra être envoyée par courriel à l’adresse suivante : Nicolae.Brinzei@univ-lorraine.fr.
Département(s) :
Ingénierie des Systèmes Eco-Techniques
Financement : fondes propres (contrat EDF)
Publications : hal-01320631v1, hal-00872417v1, hal-00872420v1    + CRAN - Publications