Brevet FR3037170A1 — publié le 20161209

PROCÉDÉ ET SYSTÈME DE PRÉDICTION DU FONCTIONNEMENT D'UN AÉRONEF PAR ANALYSE DE SIMILARITÉ UTILISANT DES CAPACITÉS DE STOCKAGE ET DE CALCUL RÉPARTIES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui de la surveillance d'aéronefs, notamment aux fins d'en anticiper les opérations de maintenance. L'invention vise plus particulièrement à prédire une évolution future du fonctionnement d'un aéronef par analyse de similarité avec le fonctionnement passé de toute une flotte d'aéronefs. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les avions, et notamment leurs moteurs, sont désormais des systèmes générateurs de données. Ces données sont issues de mesures obtenues par la numérisation de données provenant de capteurs, mais aussi de calculs, de résultats provenant de modèles, de commandes. Elles sont acquises avec des fréquences de plus en plus élevées, mais ne sont transférées au sol que de manière occasionnelle du fait de leur volume important. L'état d'un moteur (ou de l'avion, ou tout autre sous-composant de l'aéronef étudié) à un instant donné peut être décrit à partir de ces données. Les trajectoires des observations de ces données (courbes) peuvent être analysées et converties en un indicateur vectoriel d'assez grande dimension représentatif de cet état ou du moins d'un aspect spécifique de cet état. Si l'on veut savoir si le système observé est dans un état correct (normal) ou dégradé, ou s'il se dirige vers un état dégradé, on peut utiliser l'expérience acquise sur toute une flotte d'avions. La demande de brevet WO 2012/110733 Al propose une solution en ce sens selon laquelle l'état courant du système observé est comparé avec des états passés de toute la flotte afin de rechercher des états passés similaires à l'état courant. Une étude 3037170 2 du « futur » de ces observations similaires rencontrées dans le passé permet de prédire l'évolution probable du système observé. Ce type d'analyse nécessite un accès à un maximum d'informations issues de la flotte d'avions pour bénéficier du retour d'expérience le plus important et 5 permettre l'obtention de prédictions pertinentes. Mais du fait des volumes de données qui seront bientôt générés par les avions (plus de 1 Go par vol), cela demande une infrastructure de gestion de données conséquente et un outil de traitement capable de réaliser le calcul de l'état du système observé pour tous les avions et à toute date passée, puis de réaliser la recherche d'états 10 similaires, ceci en un temps suffisamment rapide pour ensuite transmettre les résultats à chaque avion. Or si le volume initial de données est déjà important, les calculs d'états en augmentent le volume d'un facteur multiplicatif non négligeable (nombre d'instants, de dimensions, d'échelles d'observations, de sous-systèmes) et la recherche d'états 15 similaires passe tout ce volume au carré. Une mise en oeuvre centralisée de ces opérations de stockage et de traitement est donc particulièrement lourde, et en pratique difficilement envisageable pour une flotte importante d'aéronefs. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif de proposer une implémentation pratique 20 d'une telle surveillance par analyse de similarité d'un état de fonctionnement courant avec des états de fonctionnement passés d'une flotte d'aéronefs qui puisse permettre de s'affranchir du problème de la conception d'un centre de calcul et de stockage et de limiter le volume de communications. L'invention propose à cet effet un procédé d'estimation d'une évolution 25 future du fonctionnement d'un aéronef sous surveillance, comprenant la mise en oeuvre des étapes suivantes par un calculateur embarqué au sein de l'aéronef sous surveillance : - calcul d'un état courant de l'aéronef sous surveillance à partir de mesures de variables relatives au fonctionnement de l'aéronef sous surveillance, 3037170 3 - transmission d'une requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé avec des états passés d'aéronefs analogues à l'aéronef sous surveillance, - réception et analyse d'une évolution de fonctionnement de chaque aéronef analogue présentant un état passé similaire à l'état courant calculé pour 5 déterminer une évolution probable du fonctionnement de l'aéronef sous surveillance. Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants : - il comprend le stockage de l'état courant calculé dans une base de données 10 embarquée au sein de l'aéronef sous surveillance ; - il comprend le stockage des mesures de variables relatives au fonctionnement de l'aéronef dans la base de données embarquée au sein de l'aéronef sous surveillance ; - il comprend l'émission d'une alerte par l'aéronef sous surveillance si l'évolution 15 probable de fonctionnement déterminée est une évolution anormale ; - l'étape de transmission d'une requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé comprend la transmission dudit état courant calculé à un centre de stockage ; - l'étape de transmission d'une requête d'analyse de similarité de l'état courant 20 calculé comprend la transmission dudit état courant calculé par diffusion générale aux aéronefs analogues ; - il comprend la mise en oeuvre par un calculateur embarqué au sein d'un aéronef analogue d'une étape de comparaison de l'état courant calculé de l'aéronef sous surveillance avec des états passés dudit aéronef analogue pour identifier un état 25 passé similaire, et une étape de réponse à la requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé de l'aéronef sous surveillance qui comprend la transmission de l'évolution de fonctionnement de l'aéronef analogue correspondant à l'état passé similaire identifié ; - l'évolution de fonctionnement correspondant à un état passé similaire identifié n'est transmise que si ladite évolution est une évolution anormale. 3037170 4 - il comprend une étape de réception par l'aéronef analogue de l'état courant calculé de l'aéronef sous surveillance depuis le centre de stockage, et l'étape de réponse à la requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé comprend la transmission au centre de stockage de l'évolution de fonctionnement correspond 5 à l'état passé similaire identifié ; - l'étape d'analyse de l'évolution de fonctionnement de chaque aéronef analogue présentant un état passé similaire à l'état courant calculé pour déterminer une évolution probable de l'aéronef sous surveillance est précédée d'une étape de réception par l'aéronef sous surveillance de l'évolution de fonctionnement de 10 chaque aéronef analogue présentant un état passé similaire identifié depuis le centre de stockage. L'invention porte également sur un système destiné à être embarqué au sein d'un aéronef sous surveillance, comprenant un calculateur configuré pour calculer un état courant de l'aéronef sous surveillance à partir de mesures de variables relatives au 15 fonctionnement de l'aéronef sous surveillance, transmettre une requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé avec des états passés d'aéronefs analogues à l'aéronef sous surveillance, recevoir et analyser une évolution de fonctionnement de chaque aéronef analogue présentant un état passé similaire à l'état courant pour déterminer une évolution de fonctionnement probable de l'aéronef sous surveillance. 20 Et l'invention s'étend à une infrastructure de diagnostic de fonctionnement d'une flotte d'aéronefs analogues, comprenant un système selon l'invention embarqué au sein de chaque aéronef de la flotte et un centre de stockage configuré pour stocker la requête d'analyse de similarité de l'état courtant d'un aéronef sous surveillance et l'évolution de fonctionnement de chaque aéronef analogue à 25 l'aéronef sous surveillance présentant un état passé similaire à l'état courant. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de 3037170 5 réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma illustrant des systèmes embarqués au sein de deux aéronefs et le partage d'informations entre ces systèmes pour la mise en 5 oeuvre de l'invention ; la figure 2 illustre un mode de réalisation possible de l'invention dans lequel un centre de stockage est utilisé pour déposer/récupérer l'état courant de l'aéronef sous surveillance et le ou les états passés similaires de la flottes d'aéronefs similaires. 10 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention propose selon un premier aspect un procédé d'estimation d'une évolution future du fonctionnement d'un aéronef sous surveillance. Le fonctionnement surveillé peut être celui de l'aéronef au sens large, ou bien celui d'un 15 composant ou système de l'aéronef. L'invention trouve avantageusement application à la surveillance d'un moteur équipant un aéronef. Ce procédé comprend : - le calcul d'un état courant de l'aéronef sous surveillance à partir de mesures de variables relatives au fonctionnement de l'aéronef sous surveillance ; 20 - une comparaison de cet état courant avec des états passés d'aéronefs analogues appartenant à une flotte d'aéronefs de même type que l'aéronef sous surveillance pour identifier des états passés similaires à l'état courant, - une analyse de l'évolution de fonctionnement de chacun des aéronefs analogues présentant un état passé similaire à l'état courant pour déterminer une 25 évolution probable du fonctionnement de l'aéronef sous surveillance. Ce procédé peut notamment mettre en oeuvre la solution présentée dans la demande de brevet WO 2012/110733 Al mentionnée précédemment. D'une manière générale, l'invention propose, pour la mise en oeuvre de ce procédé, de déployer un environnement de stockage et de calcul réparti sur une flotte 3037170 6 de systèmes embarqués à bord des aéronefs de toute une flotte. L'idée est ainsi de répartir traitement et stockage, tout en conservant les résultats là où ils sont utiles, pour s'affranchir du problème de la conception d'un centre de calcul et de stockage centralisé. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la 5 figure 1 qui illustre des systèmes A, B destinés à être embarqués au sein de deux aéronefs de la flotte et le partage d'informations entre ces systèmes lors de la mise en oeuvre de l'invention. Dans la description suivante de la figure 1, le système A est celui d'un aéronef dit sous surveillance dont on souhaite prédire une évolution future du fonctionnement, tandis que le système B est celui d'un aéronef dit analogue appartenant à une flotte 10 d'aéronefs de même type que l'aéronef sous surveillance dans laquelle on recherche des états de fonctionnement passés similaires à l'état courant de l'aéronef sous surveillance. Les systèmes embarqués A, B sont cependant équivalents, de sorte que le système B peut être celui d'un aéronef sous surveillance et le système A celui d'un aéronef analogue objet d'une recherche par similarité. 15 Chaque système embarqué A, B comprend un calculateur doté de plusieurs modules, chacun configuré pour la mise en oeuvre d'une fonction. Chaque calculateur dispose ainsi d'un premier module 1-A, 1-B configuré pour calculer un état courant EcA, EcB de l'aéronef sous surveillance à partir de mesures de variables VFA, VFB relatives au fonctionnement de l'aéronef sous surveillance, 20 et pour transmettre une requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé avec des états passés d'une flotte d'aéronefs analogues. Chaque calculateur dispose par ailleurs d'un deuxième module 4-A, 4-B configuré pour recevoir un état courant calculé EcA, EcB d'un aéronef sous surveillance, comparer l'état courant calculé EcA, EcB avec des états passés EPB, EPA de l'aéronef B, A 25 réalisant l'analyse pour identifier un état passé similaire, et répondre à la requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé en venant transmettre l'évolution de fonctionnement SPB, SPA correspondant à l'état passé similaire identifié. Le calculateur de chaque aéronef dispose en outre d'un troisième module 5-A, 5-B configuré pour recevoir l'évolution de fonctionnement SPB, SPA d'un 30 aéronef analogue présentant un état passé similaire, et pour déterminer une évolution de 3037170 7 fonctionnement probable FPA, FPB de l'aéronef en venant analyser l'évolution de fonctionnement SPB, SPA de l'aéronef analogue présentant un état passé similaire. Le système embarqué A, B peut en outre être configuré pour élaborer et émettre une alerte lorsque l'évolution probable est une évolution anormale. Cette alerte 5 peut être transmise à un centre de gestion d'alerte au sol, en charge notamment de la relayer à un gestionnaire de la flotte (par exemple un gestionnaire de maintenance des moteurs de la flotte d'aéronefs), par exemple aux fins d'une analyse plus poussée, ou à la compagnie exploitant l'aéronef, par exemple lorsque la fiabilité de l'information d'évolution probable anormale est élevée. 10 Avec une telle configuration : - Chaque aéronef peut, avec son premier module 1-A, 1-B, calculer son état courant et requérir une analyse de similarité de son état courant avec des états passés d'aéronefs de l'ensemble de la flotte ; - Chaque aéronef de la flotte peut recevoir cette requête. A son bord, il dispose de 15 son premier module 1-A, 1-B qui lui permet de calculer son propre état EPB à différents instants de son passé (le calcul de l'état courant étant réalisé au fil de l'eau), et de son deuxième module 4-A, 4-B qui lui permet d'identifier parmi ses états passés d'éventuels états similaires à l'état courant de l'aéronef sous surveillance, et de répondre le cas échéant à la requête d'analyse de similarité en 20 transmettant le ou les états passés identifiés comme similaires et la ou les évolutions futures correspondantes ; - L'aéronef ayant effectué la requête récupère les réponses, et en déduit son évolution probable à l'aide de son troisième module 5-A, 5-B. Chaque système embarqué A, B comporte en outre une base de 25 données 2-A, 2-B qui permet de réaliser le stockage de l'état courant calculé, et ainsi de conserver un historique de cet état. La base de données 2-A, 2- B peut en outre venir conserver les données VFA, VEg générées au cours de chaque vol, issues par exemple d'un quatrième module 3-A, 3-B du système embarqué en charge de mesurer les variables relatives au fonctionnement de l'aéronef. 3037170 8 L'invention propose ainsi de répartir au sein de chaque aéronef le calcul et le stockage de ses propres états au cours du temps, l'étude de similarité de ses propres états avec un état courant d'un autre aéronef, ainsi que la détermination de son évolution probable par synthèse des réponses des autres aéronefs ayant eu des 5 fonctionnements similaires dans leur passé. Cette solution nécessite une capacité de stockage au sein de chaque aéronef. Le stockage peut par exemple être limité au stockage sous forme compressée de l'état propre de l'aéronef et de son historique d'états courants. A titre d'exemple illustratif, cette capacité de stockage peut être inférieure à 40 To par aéronef pour 10 stocker les états en couvrant un historique de 10 ans avec 10 vols par jour et 1 Go de données par vol. Alternativement, si la capacité de stockage le permet, l'ensemble des informations, y compris les mesures initiales relatives au fonctionnement de l'aéronef, peut être stocké afin de conserver la possibilité de « retour en arrière », par exemple pour 15 réaliser analyse plus précise des mesures initiales. Cette solution nécessite également d'embarquer au sein de chaque aéronef un calculateur apte à coder l'état courant, réaliser la mesure de similarité et faire une synthèse pour chaque requête d'analyse de similarité en étudiant les réponses des aéronefs analogues ayant eu des comportements similaires dans leur passé. L'état du 20 système observé peut être vu comme une compression des données qu'il génère et un algorithme auto-adaptatif comme le MP-PCA (Mixture of Probabilistic Principal Component Analyser) peut pour cela être mise en oeuvre. Cet algorithme, dont une mise en oeuvre est par exemple décrite dans l'article de J. Lacaille et al., "Online Normalization Algorithm for Engine Turbofan Monitoring," in PHM, 2014, observe les données produites 25 en grande dimension par l'aéronef (moteurs et systèmes avionique) et les comprime à la volée en un vecteur de dimension beaucoup plus petite qui peut ensuite être recodé par des techniques classiques de stockage en ligne. Cette solution nécessite également d'assurer la communication entre aéronefs des requêtes d'analyse de similarité et de réponses à ces requêtes. D'une 30 manière générale, seul un faible nombre de requêtes est nécessaire par vol. Ce nombre 3037170 9 peut être limité à une requête par vol, voire même à une requête par jour lorsqu'une surveillance à plus long terme est réalisée. Par ailleurs, un aéronef analogue ne répond qu'aux requêtes pour lesquelles il trouve un état passé similaire. Afin de réduire encore plus l'échange de 5 données, il est possible dans le cadre de l'invention qu'un aéronef analogue ne vienne répondre à une telle requête en transmettant son état passé similaire et l'évolution correspondante que si cette évolution conduit à un fonctionnement futur anormal. L'invention permet ainsi de passer outre le rapatriement extrêmement lourd des données au sol nécessaire pour une solution à centre de calcul et de stockage 10 centralisé au sol. Dans un mode de réalisation possible de l'invention, la requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé comprend la transmission dudit état courant calculé EcA par diffusion générale (broadcast) à la flotte d'aéronefs analogues. Un modèle stochastique de communication limite le broadcast de la 15 requête aux aéronefs « à proximité », c'est-à-dire capable de recevoir et traiter la requête, par exemple ceux qui sont présents autour d'une porte d'embarquement au moment de l'émission de la requête. Ces aéronefs « à proximité » forment une sous-population de la flotte d'aéronefs analogues qui varie aléatoirement au cours du temps. La communication généralisée par broadcast est alors remplacée par une succession de 20 communications faisant intervenir des sous-populations différentes, aléatoirement distribuées. Dans un autre mode de réalisation illustrée sur la figure 2, non exclusif de la diffusion par broadcast, la requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé comprend la transmission dudit état courant calculé EcA à un centre de stockage C. Le 25 centre de stockage C peut être un centre centralisé, par exemple un centre au sol, un centre distribué au sol en différentes localisations, par exemple en différentes plateformes de correspondance, ou encore un centre déporté sur chaque aéronef. Ce centre de stockage C est utilisé comme une boîte aux lettres afin de limiter la quantité de messages échangés. Un aéronef sous surveillance A y transmet son 30 état courant EcA objet de la requête d'analyse de similarité. Un aéronef analogue B vient y 3037170 10 réceptionner l'état courant EcA de l'aéronef sous surveillance, quand il en a le temps et les moyens d'accès. Quand un état passé similaire est identifié, l'aéronef analogue vient répondre à la requête en transmettant audit centre de stockage son état passé similaire identifié et l'évolution de fonctionnement correspondante SPB. L'aéronef sous surveillance 5 vient réceptionner cette information, afin d'estimer son évolution future probable. Dans un mode de réalisation possible de l'invention, l'échange des données (requêtes, réponses aux requêtes, éventuelles alertes) peut être réalisée par liaison satellitaire. L'invention n'est pas limitée au procédé tel que précédemment décrit, 10 et s'étend au système destiné à être embarqué au sein de chacun des aéronefs de la flotte ainsi qu'à une infrastructure de diagnostic de fonctionnement d'une flotte d'aéronefs analogues, comprenant un système tel que précédemment décrit embarqué au sein de chaque aéronef de la flotte et un centre de stockage C configuré pour stocker la requête d'analyse de similarité de l'état courtant d'un aéronef sous surveillance et 15 l'évolution de fonctionnement de chaque aéronef analogue à l'aéronef sous surveillance présentant un état passé similaire à l'état courant. REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation d'une évolution future du fonctionnement d'un aéronef sous surveillance (A), comprenant la mise en oeuvre des étapes suivantes par un calculateur embarqué au sein de l'aéronef sous surveillance : - calcul d'un état courant de l'aéronef (EcA) sous surveillance à partir de mesures (VFA) de variables relatives au fonctionnement de l'aéronef sous surveillance, - transmission d'une requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé avec des états passés (EPB) d'aéronefs analogues à l'aéronef sous surveillance, - réception et analyse d'une évolution de fonctionnement (SPB) de chaque aéronef analogue présentant un état passé similaire à l'état courant calculé pour déterminer une évolution probable (FPA) du fonctionnement de l'aéronef sous surveillance. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant le stockage de l'état courant calculé dans une base de données (2-A) embarquée au sein de l'aéronef sous surveillance. 3. Procédé selon la revendication 2, comprenant le stockage des mesures de variables relatives au fonctionnement de l'aéronef dans la base de données (2-A) embarquée au sein de l'aéronef sous surveillance. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant l'émission d'une alerte par l'aéronef sous surveillance si l'évolution probable de fonctionnement déterminée est une évolution anormale. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape de transmission d'une requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé comprend la transmission dudit état courant calculé (EcA) à un centre de stockage (C). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape de transmission d'une requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé (EcA) 3037170 12 comprend la transmission dudit état courant calculé par diffusion générale aux aéronefs analogues. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant la mise en oeuvre par 5 un calculateur embarqué au sein d'un aéronef analogue (B) d'une étape de comparaison de l'état courant calculé (EcA) de l'aéronef sous surveillance (A) avec des états passés (EPB) dudit aéronef analogue pour identifier un état passé similaire, et d'une étape de réponse à la requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé de l'aéronef sous surveillance qui comprend la transmission de l'évolution de fonctionnement (SpB) de l'aéronef 10 analogue correspondant à l'état passé similaire identifié. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'évolution de fonctionnement correspondant à un état passé similaire identifié n'est transmise que si ladite évolution est une évolution anormale. 15 9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8 prise en combinaison avec la revendication 5, comprenant une étape de réception par l'aéronef analogue de l'état courant calculé (EcA) de l'aéronef sous surveillance depuis le centre de stockage (C), et dans lequel l'étape de réponse à la requête d'analyse de similarité de l'état courant 20 calculé comprend la transmission au centre de stockage de l'évolution de fonctionnement (SpB) correspond à l'état passé similaire identifié. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'étape d'analyse de l'évolution de fonctionnement de chaque aéronef analogue présentant un état passé similaire à 25 l'état courant calculé pour déterminer une évolution probable de l'aéronef sous surveillance est précédée d'une étape de réception par l'aéronef sous surveillance de l'évolution de fonctionnement de chaque aéronef analogue présentant un état passé similaire identifié depuis le centre de stockage. 30 11. Système destiné à être embarqué au sein d'un aéronef sous surveillance (A, B), comprenant un calculateur configuré pour calculer un état courant (EcA, EcB) de l'aéronef sous surveillance à partir de mesures de variables (VFA, VFB) relatives au fonctionnement 3037170 13 de l'aéronef sous surveillance, transmettre une requête d'analyse de similarité de l'état courant calculé avec des états passés d'aéronefs analogues à l'aéronef sous surveillance, recevoir et analyser une évolution de fonctionnement (SPB, SPA) de chaque aéronef analogue présentant un état passé similaire à l'état courant pour déterminer une 5 évolution de fonctionnement probable (FPA, FPB) de l'aéronef sous surveillance. 12. Système selon la revendication 11, dans lequel le calculateur est en outre configuré pour comparer des états passés (EPB, EPA) de l'aéronef sous surveillance avec un état courant (EcB, EcA) d'un aéronef analogue (B, A) pour identifier un ou plusieurs états 10 passés similaires. 13. Système selon l'une des revendications 11 et 12, comprenant en outre une base de données (3-A, 3-B) de stockage de l'état courant de l'aéronef sous surveillance. 15 14. Infrastructure de diagnostic de fonctionnement d'une flotte d'aéronefs analogues, comprenant un système selon l'une des revendications 11 et 12 embarqué au sein de chaque aéronef de la flotte et un centre de stockage (C) configuré pour stocker la requête d'analyse de similarité de l'état courtant d'un aéronef sous surveillance et l'évolution de fonctionnement de chaque aéronef analogue à l'aéronef sous surveillance 20 présentant un état passé similaire à l'état courant.