Brevet FR2852417A1 — publié le 20040917

"Procédé et système pour déterminer des paramètres d'un modèle de vieillissement d'une structure, notamment en génie civil" La présente invention concerne un procédé pour déterminer des paramètres d'un modèle de vieillissement d'une structure. Elle vise également un système mettant en oeuvre ce procédé. Cette invention s'inscrit plus généralement dans le cadre dans le cadre de la conception et de l'actualisation de la stratégie de gestion des risques associés au vieillissement d'une infrastructure. Il existe actuellement au niveau des opérateurs de 15 structures, tout particulièrement d'ouvrages de génie civil mais aussi d'équipements industriels, un besoin croissant pour disposer d'outils permettant de concevoir et actualiser la stratégie de gestion des risques associés au vieillissement de ces structures et ouvrages. Dans le domaine du génie civil, les gestionnaires d'infrastructures ont constitué de larges bases de données relatives à leurs ouvrages. La plupart des outils de gestion de parc considèrent l'ouvrage comme une unité indissociable. D'autres décomposent l'ouvrage en ses principaux éléments de 25 structure. Ces bases de données contiennent souvent des descriptifs des ouvrages, les comptes-rendus et les résultats d'inspections. Elles peuvent également contenir un descriptif des opérations de maintenance déjà réalisées. Outre les 30 rapports d'inspections visuelles, certaines bases de données intègrent également des résultats de mesures provenant de capteurs installés sur certains ouvrages. Lorsque le volume des données collectées devient important, il est possible d'en extraire des informations statistiques. En fonction de la durée de vie moyenne constatée de chaque ouvrage ou de chaque élément d'ouvrage, 5 il est possible de construire un modèle purement statistique de détérioration. Ce modèle est parfois utilisé pour définir les composants d'un modèle stochastique représenté à l'aide de chaînes de Markov. Ce dernier modèle est ensuite utilisé pour concevoir la stratégie optimale de gestion de 10 l'infrastructure. Il existe également d'autres approches de la maintenance d'ouvrages en génie civil. Elles reposent sur l'instrumentation de l'ouvrage. Ces méthodes considèrent qu'une opération de maintenance doit être effectuée dès 15 l'apparition d'une détérioration. La gestion du vieillissement est une problématique présente dans d'autres industries. Le brevet US 5,331,579 (Westinghouse) s'applique en particulier à la maintenance d'une centrale électrique. Une base de données collecte, 20 centralise et gère les données provenant des différents capteurs qui surveillent la centrale. La durée de vie de chaque composant de la centrale est estimée à l'aide d'une combinaison de trois modèles: - un modèle déterministe qui appuie sur une modélisation 25 physique du composant; - un modèle statistique s'appuyant sur l'historique de l'ouvrage; - une approche qualitative s'appuyant sur des règles et un système expert. Des règles heuristiques permettent ensuite de combiner les différents modèles entre eux. Afin de pouvoir modéliser la propagation des défaillances, la base de données est partagée pour permettre aux modèles des différents composants de la centrale de communiquer entre eux. Le but de la présente invention est de permettre une détermination des paramètres d'un modèle de vieillissement 5 suffisamment performante pour obtenir un modèle optimisé de stratégie de maintenance d'un ouvrage ou d'une structure, ce que ne procurent pas les procédés de l'art antérieur. Cet objectif est atteint avec un procédé pour déterminer des paramètres d'un modèle de vieillissement d'une structure 10 en génie civil, comprenant: - un stockage, dans une base de données de vie de ladite structure, de données issues d'un ensemble de capteurs équipant ladite structure et d'informations associées à ladite structure et/ou relatives à des matériaux constituant 15 ladite structure, - un assemblage d'une pluralité de modèles déterministes disponibles dans une bibliothèques de modèles, pour générer un modèle de simulation déterministe de ladite structure, - une génération d'un modèle probabiliste de ladite 20 structure, - une génération d'un modèle du vieillissement de ladite structure, issue d'une combinaison dudit modèle de simulation déterministe et dudit modèle probabiliste, et - une actualisation des paramètres dudit modèle de 25 vieillissement. Le modèle de vieillissement peut avantageusement être un modèle stochastique de Markov. L'actualisation des paramètres du modèle stochastique de Markov peut en outre comprendre une actualisation du modèle qui peut concerner la simulation 30 déterministe et la cinétique du modèle probabiliste de la structure, et être de type statistique. Le modèle probabiliste est par exemple généré à partir d'une loi de distribution de données dudit modèle et d'une méthode fiabiliste. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé 5 un système pour déterminer des paramètres d'un modèle de vieillissement d'une structure en génie civil, mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Ce système comprend: - des moyens pour stocker, dans une base de données de vie de ladite structure, des données issues d'un ensemble de 10 capteurs équipant ladite structure et d'informations associées à ladite structure et/ou relatives à des matériaux constituant ladite structure, - des moyens pour assembler une pluralité de modèles déterministes disponibles dans une bibliothèques de modèles, 15 de façon à générer un modèle de simulation déterministe de ladite structure, - des moyens pour générer un modèle probabiliste de ladite structure, - des moyens pour générer un modèle du vieillissement de 20 ladite structure, à partir d'une combinaison dudit modèle de simulation déterministe et dudit modèle probabiliste, et - des moyens pour actualiser les paramètres dudit modèle de vieillissement. Le procédé selon l'invention combine ainsi les éléments 25 suivants: - une analyse de risque, servant à identifier et à hiérarchiser les phénomènes de vieillissement. Cette étude permet l'identification d'indicateurs de défaillance et d'inclure l'influence du temps; - la construction d'un modèle déterministe du vieillissement qui s'appuie sur une modélisation physique des processus de détérioration; - la quantification des indicateurs de défaillance et de leur cinétique à l'aide d'une approche probabiliste; - la conception de la stratégie optimale de gestion (OMS) ; - l'actualisation de cette stratégie à l'aide des données du terrain. Par rapport aux solutions existantes, le procédé selon l'invention présente les deux innovations suivantes: La première innovation consiste à combiner une 10 modélisation physique des processus de détérioration et des approches probabilistes pour déterminer les paramètres d'un modèle stochastique de Markov qui permet de rechercher la stratégie optimale de gestion. La seconde innovation consiste à intégrer dans la 15 solution un module qui permette de procéder à l'aide de nouvelles données de terrain à trois niveaux d'actualisation de la stratégie de gestion des risques: une actualisation purement statistique, une actualisation du choix du modèle utilisé pour représenter le processus de 20 détérioration et une actualisation de la cinétique de la détérioration sans changer le modèle. Le procédé selon l'invention permet de - de justifier la stratégie de maintenance, en lui assurant un fondement scientifique solide; - d'établir la stratégie de maintenance avant que des premiers signes de vieillissement ne puissent être détectés; - de faire faire des économies aux propriétaires d'ouvrages en réduisant les coûts de maintenance et en 30 maîtrisant les risques de défaillance; - de mieux planifier les opérations de maintenance, en offrant leur visibilité à long terme; d'estimer l'état d'une structure, même en l'absence de données statistiques suffisantes. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode 5 de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un organigramme synthétique du fonctionnement du procédé selon l'invention; - la figure 2 illustre les différents modules du procédé 10 selon l'invention; - la figure 3 présente une interface utilisateur possible pour associer la modélisation physique, représenté en arbre à gauche avec des loi probabilistes, représentées à droite; - la figure 4 présente un algorithme possible de description d'une stratégie de maintenance; et - la figure 5 illustre un tableau de bord représentant l'état du système, procuré par l'interface utilisateur du module d'aide à la décision. On va maintenant décrire, en référence aux figures précitées, une forme pratique de réalisation et de mise en oeuvre d'un outil de gestion des risques mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Dans cette forme de réalisation, l'outil de gestion des 25 risques comporte, en référence à la figure 2, vingt et un modules. Le module 1 d'analyse de risque consiste à - faire l'inventaire des modes de défaillance en utilisant l'analyse préliminaire des dangers (APD) pour étudier 30 les causes et les conséquences de chaque danger; - procéder à une hiérarchisation des modes de défaillance à l'aide d'une méthode basée sur l'analyse des modes de défaillance et de leur criticité (AMDEC) et modifiée afin de prendre en compte le caractère évolutif de la détérioration des structures; - réaliser une étude approfondie des principaux modes de 5 défaillance à l'aide de la méthode de l'arbre des causes (MAC) ; - définir les indicateurs de défaillance et les critères d'actions associés. Cette analyse est effectuée à l'aide d'un certain nombre 10 de listesguides prédéfinies qui permettent de s'assurer de l'exhaustivité de l'analyse. Le module 2 de définition de la base sert à faciliter la conception de la base de données de la vie de la structure. Ce module intègre les indicateurs de défaillance définis 15 précédemment pour construire une base permettant de stocker des informations provenant: - des capteurs mis en place sur une structure; - des inspections visuelles; - des méthodes non destructives; - des essais de caractérisation sur matériaux; - d'autres bases de données du même ouvrage o d'un ouvrage différents; - du retour d'expériences. Le module 3 " Capteurs, méthodes NDT, essais en 25 laboratoire " permet de mettre en forme des données brutes provenant des différents capteurs qui instrumentent la structure. Ces données sont ensuite insérées dans la base de données de la vie de la structure. Cette base de données est aussi mise à jour par les 30 rapports des inspections visuelles. Le module 4 de saisie d'observations facilite et guide l'élaboration de ces rapports, avant de permettre leur insertion dans la base de données de la vie de la structure. Ce module offre également une interface utilisateur pour l'interrogation de cette base. Chaque opérateur ne gère pas forcément un parc de structure suffisant pour avoir des résultats statistiques 5 significatifs. En fait, on peut plutôt considérer que chaque ouvrage important possède sa propre base. Le module 5 de communication avec d'autres bases permet d'échanger des données entre deux bases différentes. Différents cas type d'utilisation peuvent être envisagés: - Connecter une base liée à une structure à une base de données de référence. - Accéder ou importer des données gérées par un autre système mais se rapportant à la même structure. - Permettre à d'autres logiciels d'accéder à la base de 15 donnée de la vie de l'ouvrage. La base de données de données 6 de la vie de la structure permet de regrouper et de stocker les différentes informations relatives à la vie de la structure. Il peut s'agir d'une base de données relationnelle standard. Le développement de modèles est une tâche relativement complexe. Le module 7 de développement de modèles est une collection d'outils permettant de faciliter et d'automatiser partiellement le développement de ces modèles. Les modèles eux-mêmes peuvent être implémentés en Java et XML. Pour effectuer une modélisation probabiliste, le système s'appuie sur différentes lois de distribution, et possède donc un catalogue de lois de distribution implémentés dans le module 8. Outre la connaissance de la loi de distribution des 30 données d'entrée, la modélisation probabiliste nécessite le recours à des méthodes fiabilistes implémentées dans le module 8. Par exemple, les méthodes suivantes sont utilisées: - la méthode de Monte-Carlo (la plus connue) i FORM: First Order Reliability Method (Méthode de fiabilité du premier ordre); - SORM: Second Order Reliability Method (Méthode de fiabilité du second ordre). Le module 10 de bibliothèque de modèles permet de gérer une collection de modèles pour décrire les éléments de 10 structure étudiés, les processus de détérioration retenu et pour déterminer les paramètres de matériaux nécessaires. Certains modèles demandent un temps de développement et surtout de validation important. Par contre, ils sont facilement réutilisables à l'intérieur de leur domaine de 15 validité. Le système comprend donc une collection de modèles, et des outils pour gérer cette collection. La modélisation du vieillissement d'une structure est une opération complexe multidisciplinaire. Pour faciliter sa construction, ce modèle est construit par un assemblage de 20 nombreux sous modèles dans le module d'assemblage 11. Ce module a pour objet de gérer l'assemblage des ces sous modèles. Le module de simulation déterministe 12 implémente la modélisation physique de la structure. Cette modélisation est modulaire. Par exemple, elle peut contenir une boucle en temps, afin de calculer l'évolution de différents paramètres de la structure. En fonction des risques identifiés, seuls certains éléments critiques ou représentatifs de la structure sont modélisés. Le module de modélisation probabiliste 13 permet de quantifier précisément l'évolution au cours du temps des indicateurs de défaillance. Cette évolution est fonction de - 10 la variabilité des paramètres d'entrée du modèle déterministe. La figure 3 présente une interface utilisateur possible pour associer la modélisation physique, représenté en arbre à gauche avec des loi probabilistes, représentées à droite. Le module 14 de création d'un module stochastique de vieillissement comporte deux aspects: - le passage de la modélisation locale à la localisation globale: Dans certains cas, la simulation du 10 vieillissement ne se calcule que sur certains éléments caractéristiques de la structure. A partir de ces éléments, il s'agit de déterminer le vieillissement global de la structure; - le passage d'une modélisation " physique " à une 15 modélisation stochastique à l'aide par exemple d'un modèle de type Chaînes de Markov. Le module 15 de la modélisation de la maintenance contient les différents types d'interventions possibles (remplacement, réfection...). Pour chaque opération, 20 le modèle de maintenance permet d'estimer l'état du système après l'intervention et les coûts d'intervention. La figure 4 présente un algorithme possible de description d'une stratégie de maintenance: A et A' représente les matrices de transition de la chaîne 25 de Markov. X(t) est le vecteur d'état du système. Pi(t) représente la probabilité de défaillance de l'élément i. Psys est la probabilité de défaillance de l'ensemble du 30 système. Ca est le coût de maintenance. Cr est le coût du risque. - 11 R est le taux d'actualisation. Le module 16 de modélisation de stratégies de maintenance prend en compte un modèle stochastique du vieillissement et une modélisation des opérations de maintenance. Cette combinaison permet de déterminer l'état du système, les coûts de maintenance et les coûts de défaillance. Ce module est également en charge de l'actualisation des coûts. Le module 17 d'optimisation recherche la stratégie optimale qui respecte certaines contraintes. Par exemple, une des implémentations algorithmiques retenues consiste à calculer toutes les différentes stratégies possibles et à choisir. Le module 18 interactif d'aide à la décision permet de visualiser et de comparer différentes stratégies. En particulier, il permet de comparer la stratégie calculée avec d'autres stratégies possibles. L'interface utilisateur du module d'aide à la décision 20 peut, par exemple, présenter un tableau de bord représentant l'état du système, comme l'illustre la figure 5. Le module 19 d'actualisation du choix du modèle sert à recaler les simulations en fonction des résultats observés. Il peut être utile de modifier l'assemblage de modèles, 25 c'est-à-dire de remplacer un sous modèle par un autre sous modèle quand: - les modèles sortent de leur domaine de validité ; - certains événements modifient significativement la structure, comme par exemple une réfection ou un 30 incendie. Le module 20 d'actualisation de la cinétique du modèle agit sur le modèle 13 de modélisation probabiliste. La - 12 connaissance de l'ouvrage permet par ailleurs d'affiner ou d'actualiser le résultat du calcul probabiliste, dans l'un des modes suivants: - remplacer une valeur calculée par une valeur mesurée ou 5 observée sur la structure, afin d'affiner la précision des simulations. Par exemple, si un modèle prédit l'apparition de fissure, il est possible de calculer de manière inverse le coefficient de diffusion en fonction de la date d'apparition de la fissure; - recaler des courbes en fonction des valeurs observées ou mesurées. Par exemple, si une fissure apparaît une année après la date calculée, faut- il modifier les dates d'apparition prévisible d'un éclatement. Par exemple, l'actualisation peut être effectuée à 15 l'aide des approches baysiennes qui permettent de réduire l'incertitude sachant que certains événements possibles se sont, ou non, réalisés. Par exemple, recalculer la probabilité d'apparition d'une fissure dans les années à venir, connaissant la probabilité de présence d'une fissure 20 et si elle est effectivement présente. En fonction du volume de données présentes dans la base de données de la vie de l'ouvrage, l'actualisation du modèle peut être effectuée à l'aide de méthodes purement statistiques. Le module 21 d'actualisation statistique a pour 25 fonction de réaliser ce type d'actualisation bien connue. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. - 13 REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer des paramètres d'un modèle de vieillissement d'une structure en génie civil, comprenant - un stockage, dans une base de données de vie de ladite structure, de données issues d'un ensemble de capteurs équipant ladite structure et d'informations associées à ladite structure et/ou relatives à des matériaux constituant ladite structure, un assemblage d'une pluralité de modèles déterministes disponibles dans une bibliothèques de modèles, pour générer un modèle de simulation déterministe de ladite structure, - une génération d'un modèle probabiliste de ladite structure, - une génération d'un modèle du vieillissement de ladite structure, issue d'une combinaison dudit modèle de simulation déterministe et dudit modèle probabiliste, et - une actualisation des paramètres dudit modèle de vieillissement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle de vieillissement est un modèle stochastique de Markov. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'actualisation des paramètres du modèle stochastique de Markov comprend une actualisation du modèle de simulation déterministe. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'actualisation des paramètres comprend une actualisation de la cinétique du modèle probabiliste de la structure. - 14 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'actualisation des paramètres comprend une actualisation statistique desdits paramètres. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le modèle probabiliste est généré à partir d'une loi de distribution de données dudit modèle et d'une méthode fiabiliste. 7. Système pour déterminer des paramètres d'un modèle de vieillissement d'une structure en génie civil, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant: - des moyens pour stocker, dans une base de données de vie de ladite structure, des données issues d'un ensemble de capteurs équipant ladite structure et d'informations associées à ladite structure et/ou relatives à des matériaux constituant ladite structure, - des moyens pour assembler une pluralité de modèles déterministes disponibles dans une bibliothèques de modèles, de façon à générer un modèle de simulation déterministe de ladite structure, - des moyens pour générer un modèle probabiliste de ladite 25 structure, - des moyens pour générer un modèle du vieillissement de ladite structure, à partir d'une combinaison dudit modèle de simulation déterministe et dudit modèle probabiliste, et - des moyens pour actualiser les paramètres dudit modèle de 30 vieillissement.