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Compétences : Analyser A1 – Identifier le besoin et ces exigences A3 Appréhender les analyses fonctionnelles et
structurelles COURS 1
FICHE COURS
Ce que l’on doit retenir Niveau : PCSI
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Sommaire
’objectif de cette partie va être de découvrir un langage
de modélisation des systèmes et sa syntaxe au travers de
quelques diagrammes, puis dans une seconde partie de
commencer à découvrir les différentes chaînes et les
constituants que nous allons rencontrer dans les systèmes
présents dans le laboratoire de Sciences de l’Ingénieur.
Fiche de cours 1 : Les modèles de description fonctionnels et structurels I ) Quelques définitions / introduction :
II) L’approche système : langage SYSML
Bilan des différents diagrammes
II.1 Diagramme des exigences et exemple.
II.2 Diagramme de cas d’utilisation et exemple.
II.3 Diagramme de définition des blocs. Présentation et ouverture vers le cours suivant.
Exemple illustré : le STORE SOMFY
Véhicule auto balancé SEGWAY
III) Bilan des relations dans les diagrammes
Fiche de cours 2 : Analyse structurelle I ) Définition du système selon deux aspects :
II ) Les systèmes automatisés
1- Le domaine d’application :
2- Le contexte technico-économique
2.1- Les systèmes de diffusion limitée rencontrés dans les usines de production industrielle.
2.2- Les systèmes de grande diffusion rencontrés dans l’électroménager, la domotique, la
distribution
3- Analyse structurelle des systèmes automatisés :
La structure générale des systèmes automatisés – schéma topo fonctionnel et
exemple sur le store SOMFY
III ) Constituants des chaînes d’énergie et d’information :
3.1 La chaîne d’énergie
3.2 La chaîne d’information
Validation sur le store SOMFY
IV ) Les outils de modélisation structurelle SYSML:
Le diagramme de définition des blocs (rappel) et le diagramme de bloc interne.
Illustration et bilan sur la barrière SYMPACT.
L
Niveau PCSI COURS 1 – Analyse fonctionnelle (et structurelle) des systèmes
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1-Analyser le besoin
2- Etablir le Cahier des Charges
Fonctionnel
3- Concevoir
4- Matières premières
5- Industrialiser6- Homologuer
7- Transporter
8- Commercialiser
9- Utiliser le produit
10- Recycler/Eliminer
I ) Introduction :
L’étude des produits industriels débouche, à travers la compréhension de leur
fonctionnement, sur la mise en évidence des principes, des connaissances et des démarches
qui ont permis de concevoir des produits adaptés au besoin dans un contexte technico-
économique donné.
L’ingénierie système (IS) est une démarche méthodologique pour maîtriser la conception des
systèmes et produits complexes. On peut aussi la définir comme « une approche
interdisciplinaire rassemblant tous les efforts techniques pour faire évoluer et vérifier un
ensemble intégré de systèmes, de gens, de produits et de solutions de processus de manière
équilibrée au fil du cycle de vie pour satisfaire aux besoins du client ». Les pratiques de cette
démarche sont aujourd’hui répertoriées dans des normes, réalisées à l'aide de méthodes et
supportées par des outils.
Chaque produit ou système ainsi réalisé suit un cycle de vie que l’on peut schématiser sous la
forme :
Les différentes étapes du cycle de vie d’un produit
Pourquoi le système existe, ce besoin peut
évolué dans le temps..
Document qui va permettre de définir de façon précise ce que
souhaite le demandeur (document juridique) et dans lequel on
va retrouver des contraintes économiques, techniques…
C’est dans le bureau d’étude que va commencer
la conception du produit et la réalisation d’une
maquette numérique
Le Choix des matières est essentiel pour
respecter le prix du produit et son
empreinte carbone.
C’est le processus de fabrication en
utilisant des outils adaptés (chaîne de
fabrication, robots autonomes…)
C’est la certification conforme à une norme
ou/et une règlementation.
L’objectif est de créer au maximum des
systèmes comportant des produits pouvant
être recyclés….mais hélas.
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Qu’est ce qu’un produit ou système : Un système est un ensemble de composants inter reliés
qui interagissent les uns avec les autres d’une manière organisée pour accomplir une finalité
commune (NASA 1995).
Un système est un ensemble intégré d’éléments qui accomplissent un objectif défini (INCOSE
2004).
Qu’est ce qu’une fonction : action d’un produit ou de l’un de ses constituants exprimée sous
forme d’un but à atteindre. Une fonction est traduite par un verbe, à l’infinitif, en majuscule
(éventuellement accompagnée de compléments).
La transformation d’un besoin émergeant en la définition d’un système lui apportant une
solution met en œuvre de multiples activités intellectuelles faisant passer progressivement
de concepts abstraits à la définition rigoureuse de produits. Il est nécessaire de s’appuyer
sur des représentations tant du problème que de ses solutions possibles à différents niveaux
d’abstraction pour appréhender, conceptualiser, concevoir, estimer, simuler, valider, justifier
des choix, communiquer.
C’est le rôle de la modélisation !
II) L’approche système : le langage SYSML
L’essor de la programmation UML (Unified Modeling Language) pour les logiciels a
conduit l’ensemble des acteurs à utiliser un langage commun de modélisation et de
programmation plus élaboré pour la description de systèmes complexes : le langage SYSML
pour SYStem Modeling Language.
SysML s’articule autour de neuf types de diagrammes, chacun d’eux étant dédié à la
représentation des concepts particuliers d’un système. Ces types de diagrammes sont
répartis en trois grands groupes :
- quatre diagrammes comportementaux :
diagramme d’activité (montre l’enchainement des actions et décisions au sein d’une
activité complexe) ;
diagramme de séquence (montre la séquence verticale des messages passés entre blocs
au sein d’une interaction) ;
diagramme d’états (montre les différents états et transitions possibles des blocs
dynamiques) ;
diagramme de cas d’utilisation (montre les interactions fonctionnelles entre les acteurs
et le système à l’étude) – Illustré dans ce cours-
- un diagramme transverse : le diagramme d’exigences (montre les exigences du
système et leurs relations) ; – Illustré dans ce cours-
- quatre diagrammes structurels : diagramme de définition de blocs (montre les briques de base statiques : blocs,
compositions, associations, attributs, opérations, généralisations, etc.) ; – Illustré dans ce cours-
diagramme de bloc interne (montre l’organisation interne d’un élément statique
complexe) ;
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diagramme paramétrique (représente les contraintes du système, les équations qui le
régissent) ;
diagramme de packages (montre l’organisation logique du modèle et les relations entre
packages).
Diagramme
d’activité act
Diagramme
d’états stm
Diagramme de
séquence seq
Diagramme de cas
d’utilisation uc
Diagrammes
comportementaux
Diagramme de
définition des
blocs bdd
Diagramme de
bloc interne ibd
Diagramme de
package pkg
Diagramme
paramétrique par
Diagrammes structurels
Diagramme des
exigences req
Nous nous limiterons dans une première approche à la description de trois de ces neufs
diagrammes.
II.1 Diagramme des exigences: requirement diagram req
Comme nous venons de le voir le système technique doit répondre à un besoin. Il doit
alors satisfaire des exigences. Elles peuvent être de différentes natures : liées à des
performances (vitesse, effort….), à des contraintes induites par l’utilisation de certains
constituants (type d’énergie, tension d’alimentation…), au milieu ambiant (température,
humidité…), de coûts et bien d’autres encore.
Ce diagramme transversal capture les hiérarchies d’exigences, ainsi que leurs relations
de dérivation, de raffinement, de satisfaction et de vérification. Ces relations fournissent la
capacité de relier les exigences les unes aux autres, ainsi qu’aux éléments de conception et
aux cas de tests. On retrouve alors les exigences techniques, fonctionnelles, économiques,
environnementales…
Une exigence permet de spécifier une capacité ou une contrainte qui doit être
satisfaite par un système.
Elle peut spécifier une fonction que le système devra réaliser ou une condition de
performance, de fiabilité, de sécurité, etc.
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Exemple de diagramme d’exigences d’un radio réveil :
Les exigences peuvent être reliées entre elles par des relations de contenance, de
raffinement ou de dérivation :
la contenance (ligne terminée par un cercle contenant une croix du
côté du conteneur) permet de décomposer une exigence composite en plusieurs
exigences unitaires, plus faciles ensuite à tracer vis-à-vis de l’architecture ou
des tests ;
le raffinement (« refine ») consiste en l’ajout de précisions, par
exemple de données quantitatives ;
la dérivation (« deriveReqt ») consiste à relier des exigences de
niveaux différents, par exemple des exigences système à des exigences de
niveau sous-système, etc. Elle implique généralement des choix d’architecture.
Exemple pour l’exigence Gestion radio :
Identifiant unique permettant de créer un lien avec les autres
diagrammes
Texte descriptif type Post-it
On peut également rajouter des exigences
supplémentaires
Cartouche du diagramme
Texte pouvant être détaillé et précisé
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Remarques :
Réaliser plusieurs diagrammes d'exigences si nécessaires
Regrouper les exigences techniques sur un seul diagramme par exemple.
Puis les autres groupes d'exigences sur d'autres diagrammes
II.2 Diagramme comportemental : diagramme des cas d’utilisation – Use Case Diagramm uc
Ce diagramme de cas d’utilisation fournit une description de haut niveau des
fonctionnalités du système. On utilise les diagrammes de cas d’utilisations pour identifier les
acteurs et les cas d’utilisations d’un point de vue utilisation du système, interactions
acteurs/système. Les cas d’utilisations permettent de définir les frontières, le périmètre
fonctionnel du système.
Ce modèle contient un ou plusieurs diagrammes de cas d’utilisation, montrant les
interactions fonctionnelles entre les acteurs et le système à l’étude.
On peut cependant se poser la question si l’utilisateur est réveillé peut-il utiliser le
radio réveil différemment : il existe donc d’autres cas d’utilisation…
Il répond à la question : "quels services rend le système ?"
Acteur secondaire tracé à droite Acteur primaire tracé à gauche
Cartouche du diagramme
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Fonctionnalité=cas d'utilisation=service rendu en autonomie d'un bout à l'autre par le
système. Le résultat est visible par l'acteur (entité extérieure en interaction avec le
système).
Elle possède un point de départ (élément déclenchant).
Elle suit une succession d'étapes. Elle se termine (le service est rendu).
Remarques :
Le diagramme de cas d'utilisation ne montre pas ce qui est réalisable sur le système (le
nettoyer, l'accrocher, le recycler, etc).
Un système ne se recycle pas tout seul, recycler n’est donc pas un cas d’utilisation.
Généralement un système ne se nettoie pas tout seul (s'il le fait c'est dans ce cas un
service rendu par le système en autonomie = cas d'utilisation)
De même, la maintenance peut éventuellement apparaître si elle correspond bien à un
service rendu par le système en autonomie (exemple : test automatique des différents
capteurs/actionneurs, consulter le niveau de charge d'une batterie, ...)
Les acteurs candidats sont systématiquement :
les utilisateurs humains directs : faites donc en sorte d’identifier tous
les profils possibles, sans oublier l’administrateur, l’opérateur de maintenance, etc. ;
les autres systèmes connexes qui interagissent aussi directement avec le
système étudié, souvent par le biais de protocoles bidirectionnels.
Illustration de ces diagrammes par un exemple : Système de portail automatique FAAC
L’ouverture/fermeture d’un portail d’une propriété peut être réalisé de manière
automatique afin de faciliter cette manœuvre.
En phase d’utilisation classique, on a les principaux acteurs :
le conducteur de la voiture (propriétaire / locataire)
la voiture
le réseau EDF
1- Opérateur S450H
2- Photocellules (réceptrices) Rx
Photocellules (émetteur) Tx
3- Centrale électronique
4- Contacteur à clé
5- Clignotant 24V dc
6- Butées mécaniques d’ouverture
7- Serrure électrique et butée
mécanique de fermeture
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Diagramme des exigences
Diagramme des cas d’utilisation :
On pourrait rajouter un lien entre le cas d’utilisation ‘détecter les obstacles’ et des acteurs
secondaires : voiture ou piéton. Proposer sur votre document cette modification.
Après construction du diagramme des exigences, on peut rédiger une partie du Cahier des
Charges Fonctionnels :
Exigences (ou Id) Critères Niveaux
1.31 Masse du vantail Supérieure 200kgs (max 350
kgs)
1.32 Temps d’ouverture et fermeture Maxi 40s
1.33 Energie électrique réseau EDF 230V – 50 Hz
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II. 3 Diagramme structurel : diagramme de définition des blocs- Block Définition Diagramm
Les deux diagrammes précédents permettent donc de décrire les cas d’utilisation du
produit, les exigences à respecter MAIS nous ne sommes pas encore dans la phase de
conception. C’est l’objectif du diagramme suivant qui va permettre de lister les constituants
présents (ou de lier des exigences techniques à des solutions).
Le bloc SysML (« block ») constitue la brique de base pour la modélisation de la structure d’un
système. Il peut représenter un système complet, un sous-système ou un composant
élémentaire. Les blocs sont décomposables et peuvent posséder un comportement. Le
diagramme de définition de blocs (block definition diagram ou bdd) décrit la hiérarchie du
système et les classifications système/composant. On parle dans le cas de l’étude globale du
diagramme de contexte.
Exemple pour l’ouvre portail FAAC S450H, on peut construire le diagramme de contexte (non
normalisé mais intéressant pédagogiquement) :
Il répond à la question "qui contient quoi ?"
Il peut aussi montrer les caractéristiques principales de chaque bloc en faisant apparaitre les
opérations et les propriétés.
Permet de représenter les liens entre les blocs de même niveau par une association (simple
trait entre 2 blocs). Le BDD est similaire à la première page d’une notice de montage d’un
meuble, indiquant la liste des éléments et des pièces à assembler avec leurs quantités
respectives.
Remarques :
La question du zoom est importante. Même si on peut descendre assez bas dans les
détails, il ne sera pas pertinent en général de le faire. Ce diagramme est utile pour
montrer les grosses briques du système.
Il n'est pas obligatoire de faire apparaître les propriétés et les opérations dans
chaque bloc (surtout quand on débute avec SysML). Dans ce cas le diagramme est
relativement pauvre en information mais offre en un clin d'oeil la structure du
système.
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Vous pourrez faire apparaître les propriétés et les opérations lorsque vous préciserez
votre modèle.
Exemple pour un moteur électrique
Propriétés
o Puissance absorbée : 1500 W
o Puissance nominale : 1300 W
o Type : asynchrone
Opération
o Etre animer d’un mouvement de rotation
Exemple pour un composant mécanique : réducteur
propriétés
o rapport de réduction : 1/20
o couple maximum transmissible : 20 Nm
technologie : engrenages
III) Exemple illustré : Store automatique SOMFY
Diagramme des exigences :
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Uc[modèle]Store SOMFY [diagramme de cas d’utilisation]
Diagramme de définition des blocs :
Bdd[modèle]Store SOMFY [diagramme de définition des blocs]
Frontière du système
Agrégation forte ou composition
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Autre exemple : Véhicule auto balancé SEGWAY De plus en plus de société utilise un moyen de déplacement aisé et
rapide en ville : le véhicule auto balancé SEGWAY. Ce déplacement se fait à
une vitesse maximale de 20km/h et avec une autonomie de 38kms. Ce produit
doit donc être rechargé régulièrement suivant l’utilisation mais il reste un
bon moyen de limiter la pollution dans les grandes villes. Ce système possède
deux moteurs/réducteurs dans chaque roue, batteries, un pupitre de
commande, un ensemble de capteurs permettant d’acquérir l’inclinaison du
guidon et l’orientation (gyromètre et pendule), la vitesse/position de chaque
roue(codeur incrémental), calculateur…
Diagramme de cas d’utilisation :
Exemple Diagramme d’exigences :
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Exemple Diagramme de définition des blocs :
IV) Bilan des relations dans les diagrammes :
Représentation graphique Explication
Association : relation d’égal à égal entre deux éléments. On peut le
retrouver dans les diagrammes cas d’utilisation, définition des blocs
(et bloc interne)
Dépendance : l’un des deux éléments dépend de l’autre. On peut le
retrouver dans les diagrammes cas d’utilisation, définition des blocs
et exigences
Agrégation : Un élément est une composante facultative de l’autre.
A entre dans la composition de B sans être indispensable. On peut le
retrouver dans les diagrammes définition des blocs et exigence
Composition : Un élément est une composante obligatoire de l’autre.
A entre dans la composition de B et est indispensable. On peut le
retrouver dans les diagrammes définition des blocs et exigences
Généralisation : Dépendance de type filiation entre deux éléments.
On peut le retrouver dans les diagrammes définition des blocs, bloc
interne et exigences
Conteneur : relation d’inclusion entre deux éléments. On peut le
retrouver dans les diagrammes définition des blocs et exigences
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V) Autre exemple actuel de visualisation des diagrammes :
L’AEROBAR est le premier bar aérien au monde, il est
également le premier restaurant aérien au monde et a fait l’objet d’un
brevet international. L’AEROBAR permet à des passagers d’être
assis, les pieds dans le vide à 35 mètres de haut, autour d’un bar et
de consommer nourriture et boissons, tout en échangeant avec ses
voisins et en admirant le paysage à 360°. L’AEROBAR est
actuellement implanté dans plusieurs parcs d’attraction. Le
futuroscope a effectué l’acquisition du premier bar aérien en 2013
suivi en 2014 par le parc du Petit Prince, puis par Sindiparc au Maroc.
A ce jour, douze exemplaires ont été produits.
Exemple de diagramme de contexte :
Quel type de diagramme reconnaît-on ici ? ………………………………..
Que retrouve-t-on sur ce diagramme ? ……………………………………………………………………………
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Diagramme des exigences incomplet de l’AEROBAR :
Diagramme des exigences de l’une des exigences de l’AEROBAR : Id1.3 Plaisir client
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Diagramme de définition des blocs simplifié :
Que représente ces images (rajoutées à notre diagramme de définition des blocs) ? ………………
……………………………………………………………………..
Comment sont positionnés ces constituants dans notre système pour assurer l’exigence
principale ? C’est l’objectif du prochain cours avec l’ajout du diagramme des blocs interne
qui va nous préciser ces chaînes (de puissance et d’information).