Brevet FR3090982A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Procédé et dispositif de mémorisation de données numériques [0001] La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mémorisation de données numériques représentatives de variables de fonctionnement, évolutives dans le temps, d'un système physique. [0002] L'invention trouve une application particulière dans le domaine de la surveillance et de la maintenance prédictive de systèmes. Ce domaine est connu sous l'acronyme HUMS pour « Health and Usage Monitoring System ». Elle trouve également une application privilégiée dans la maintenance intégrée, qui génère des alertes. [0003] La surveillance et la maintenance intégrée et prédictive met en oeuvre un relevé de données de fonctionnement des équipements d'un système, grâce à des capteurs adéquats, les données étant relevées au cours du temps. Ces données sont ensuite traitées par des algorithmes de calcul pour effectuer des tests de bon fonctionnement, et divers diagnostics permettant dc prédire par exemple l'usure des équipements du système, et un risque dc panne. La mise en oeuvre de tels algorithmes permet avantageusement de prévenir d'éventuelles pannes, donc d'augmenter la sécurité dc fonctionnement du système et de réduire les coûts de maintenance. [0004] Les systèmes HUMS ont des applications dans dc nombreux domaines, par exemple pour la supervision et la maintenance de systèmes de fabrication industrielle, de systèmes de pilotage, ou dc systèmes de surveillance d'environnement embarqués, par exemple aéroportés. [0005] De manière classique, il est nécessaire d'observer et d'enregistrer de très grands volumes dc données de fonctionnement, avec une récurrence suffisamment fine pour ne pas rater d'éventuels changements d'états significatifs dc la variable de fonctionnement observée. Cela induit une nécessité d'espaces de stockage, par exemple des mémoires non volatiles, ayant des capacités très élevées. En pratique, cela implique un encombrement important, qui n'est parfois pas compatible avec le domaine d'application, par exemple dans un système aéroporté. [0006] L'invention a pour objet de remédier à ces inconvénients, en proposant un procédé et un dispositif d'enregistrement permettant de réduire le volume des données enregistrées pour une variable de fonctionnement observée. [0007] A cet effet, l'invention propose, selon un aspect, un procédé d'enregistrement de données numériques représentatives d'une variable de fonctionnement d'un système observée, les données numériques représentatives de ladite variable étant obtenues sous forme d'échantillons, le procédé comprenant un enregistrement de données au 2 cours du temps. Ce procédé comprend des étapes de : [0008] -réception d'échantillons successifs représentatifs de ladite variable observée, et [0009] -pour un échantillon courant, pour au moins deux fenêtres d'observation de tailles différentes, chaque fenêtre d'observation comportant un nombre, égal à la taille de ladite fenêtre, d'échantillons successifs reçus avant l'instant temporel correspondant à l'échantillon courant, [0010] - calcul d'une valeur moyenne par fenêtre d'observation, [0011] - calcul d'une différence entre l'échantillon courant et chacune desdites valeurs moyennes, [0012] - comparaison de chaque différence, en valeur absolue, à une valeur de seuil prédé- terminée associée à ladite fenêtre d'observation, et en cas de dépassement de la valeur de seuil pour une valeur de seuil, déclenchement d'un enregistrement de l'échantillon courant dans une mémoire non-volatile. [0013] Avantageusement, l'invention permet de déclencher l'enregistrement en cas de va- riations constatées en fonction de fenêtres d'observation de durées différentes, ce qui permet d'éviter l'enregistrement de données numériques de valeurs proches, tout en déclenchant l'enregistrement en cas de constatation d'une variation au cours du temps. [0014] Le procédé d'enregistrement de données selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou en combinaison, selon toutes les combinaisons techniquement acceptables. [0015] Le procédé met en oeuvre une pluralité de fenêtres d'observation de tailles croissantes. [0016] Les valeurs de seuil sont toutes égales à une même valeur de seuil. [0017] Chaque valeur de seuil est calculée en fonction de la valeur moyenne calculée pour la fenêtre d'observation correspondante et d'un écart-type des échantillons de la fenêtre d'observation correspondante. [0018] Selon un autre aspect, l'invention concerne un dispositif d'enregistrement de données numériques représentatives d'une variable de fonctionnement d'un système observée, les données numériques représentatives de ladite variable étant obtenues sous forme d'échantillons, le dispositif étant configuré pour effectuer un enregistrement de données numériques au cours du temps. Ce dispositif comprend des modules configurés pour : [0019] -recevoir des échantillons successifs représentatifs de ladite variable observée, et [0020] -pour un échantillon courant, pour au moins deux fenêtres d'observation de tailles différentes, chaque fenêtre d'observation comportant un nombre, égal à la taille de ladite fenêtre, d'échantillons successifs reçus avant l'instant temporel correspondant à l'échantillon courant, [0021] - calculer une valeur moyenne par fenêtre d'observation, 3 [0022] - calculer une différence entre l'échantillon courant et chacune desdites valeurs moyennes, [0023] - comparer chaque différence, en valeur absolue, à une valeur de seuil prédéterminée associée à ladite fenêtre d'observation, et en cas de dépassement de la valeur de seuil pour une valeur de seuil, déclencher un enregistrement de l'échantillon reçu dans une mémoire non-volatile. [0024] Le dispositif d'enregistrement de données selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou en combinaison, selon toutes les combinaisons techniquement acceptables. [0025] Les modules sont réalisés par des composants analogiques. [0026] Le dispositif comporte un processeur de calcul, une unité de mémoire électronique non volatile, et une unité de mémoire vive, et modules sont réalisés sous forme de logiciel comportant des instructions logicielles mises en oeuvre par le processeur de calcul. [0027] Le dispositif met en oeuvre une pluralité n de fenêtres d'observation de tailles croissantes. [0028] Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de surveillance et de maintenance prédictive d'un système physique, comportant une capture à une fréquence temporelle prédéterminée de données numériques représentatives d'une variable de fonctionnement du système, mettant en oeuvre un procédé d'enregistrement de données tel que brièvement décrit ci-dessus dans une unité de mémoire et une mise en oeuvre d'un algorithme de surveillance et de maintenance prédictive à partir des données enregistrées. [0029] Selon un autre aspect, l'invention concerne un système de surveillance et de maintenance prédictive d'un système physique, comportant au moins un capteur adapté à capter, à une fréquence temporelle prédéterminée, des données numériques représentatives d'une variable de fonctionnement dudit système physique, mettant en oeuvre un dispositif d'enregistrement de données tel que brièvement décrit ci-dessus dans une unité de mémoire et comportant un processeur configuré pour mettre en oeuvre un algorithme de surveillance et de maintenance prédictive à partir des données enregistrées. [0030] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : [0031] - [fig.1] la figure 1 est un synoptique d'un système de surveillance et de maintenance prédictive d'un système physique mettant en oeuvre un dispositif d'enregistrement selon un premier mode de réalisation de l'invention; [0032] - [fig.2] la figure 2 est un schéma bloc des principales étapes d'un procédé d'enregistrement de données selon un mode de réalisation de l'invention ; [0033] - [fig.3] la figure 3 illustre schématiquement une pluralité de fenêtres d'observation glissantes utilisées dans le procédé d'enregistrement de données ; [0034] - [fig.4] la figure 4 est un synoptique d'un dispositif d'enregistrement de données selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0035] L'invention sera décrite ci-après plus particulièrement dans son application dans un système de surveillance et de maintenance prédictive. [0036] Un mode de réalisation d'un tel système 1 est schématisé dans la figure 1. [0037] Le système de surveillance et de maintenance prédictive 1 d'un système physique 2 comporte un dispositif 4 d'enregistrement de données numériques représentatives de variables de fonctionnement du système 2, obtenues par des capteurs appropriés 6. [0038] Par exemple, le système physique 2 est un radar aéroporté, et la ou les variables de fonctionnement sont par exemple des alimentations, des valeurs de régulations de gain ou de fréquences, des valeurs de puissance radiofréquence, des valeurs de tension ou de courant. Dans ce cas, le capteur 6 est par exemple formé par un amplificateur opérationnel et un codeur analogique/numérique (CAN), un détecteur radiofréquence et un CAN, un convertisseur fréquence/tension et un CAN. [0039] Les données captées sont envoyées au dispositif d'enregistrement 4 sous forme d'échantillons numériques, chaque échantillon numérique ayant une valeur associée, obtenus avec une fréquence d'échantillonnage prédéterminée. [0040] Dans un premier mode de réalisation, le dispositif d'enregistrement 4 est un dispositif électronique de calcul, par exemple un ordinateur ou un composant logique programmable, tel qu'un FPGA (de l'anglais Field Programmable Gate Array), un GPU (processeur graphique) ou un GPGPU (de l'anglais General-purpose processing on graphies processing), ou un circuit intégré dédié, tel qu'un ASIC (de l'anglais Application Specifïc Integrated Circuit). [0041] Le dispositif d'enregistrement 4 comporte notamment un processeur de calcul 8, une unité de mémoire électronique 10 non volatile, et une unité de mémoire vive 11. L'unité de mémoire 10 est adaptée à enregistrer les données représentatives de la variable de fonctionnement du système 2 selon le procédé d'enregistrement de l'invention. [0042] Dans ce premier mode de réalisation, le procédé d'enregistrement de données est réalisé sous forme d'un logiciel 12, comportant des instructions de programme, et exécutable par le processeur de calcul 8. [0043] Le système de surveillance et de maintenance prédictive 1 comporte également un dispositif 14 de mise en oeuvre d'un algorithme de surveillance et de maintenance prédictive à partir des données enregistrée 16 dans l'unité de mémoire 10. Il comporte également un module 18 de génération d'alertes et/ou d'informations d'amélioration ou de correction, adapté à transmettre les alertes et/ou les informations au système physique 2. [0044] La figure 2 illustre schématiquement un mode de réalisation d'un procédé d'enregistrement de données selon l'invention. [0045] Des données représentatives d'une variable sont reçues à l'étape de réception 28, à intervalles temporels réguliers sous forme d'échantillons El à des instants temporels tv [0046] Pour simplifier les notations, un échantillon courant est noté E dans la figure 2. [0047] Le traitement est effectué sur n branches, mises en oeuvre sensiblement en parallèle ou successivement, comme expliqué en détail ci-après. [0048] Suite à la réception de l'échantillon E, des valeurs moyennes sur des fenêtres d'observation F, de durées différentes sont calculées aux étapes 301 à 30'. [0049] Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, un nombre n de valeurs moyennes sont calculées sur des fenêtres d'observation F, de tailles exprimées en nombre d'échantillons successifs reçus avant l'instant temporel correspondant à l'échantillon courant, ce qui correspond à une durée temporelle, les échantillons étant reçus à intervalles temporels réguliers. En effet, lorsque les échantillons sont reçus tous les Tech, Ted, étant la période d'échantillonnage, une fenêtre d'observation de M échantillons a une durée temporelle de MxTech. [0050] Une fenêtre d'observation Fi comprend dans cet exemple 2' échantillons. Les fenêtres d'observation sont glissantes, c'est-à-dire qu'elles sont positionnées par rapport à l'instant temporel courant. [0051] Le nombre n de fenêtres d'observation et leurs tailles respectives sont des paramètres du procédé, qui sont fixés en fonction de la variable de fonctionnement observée ou du système physique 2 observé. Par exemple, dans le mode de réalisation de la figure 2, le nombre n est compris entre 2 et un nombre N calculé en fonction de la période d'observation (durée temporelle d'une fenêtre d'observation) la plus longue souhaitée. La durée de fenêtre d'observation Tmax est donnée en fonction de la période d'échantillonnage par la formule ,PV X 1 E, c h. Par exemple, la période d'échantillonnage Tcd, est de 100ms. Pour la surveillance d'une alimentation, sachant que la durée maximale d'une variation est liée aux variations de température et est estimée à 15 min, pour une période d'échantillonnage de 100ms, N=9000. [0052] Lorsque la taille de la fenêtre d'observation est petite, les variations rapides sont détectées. A l'inverse, lorsque la taille de la fenêtre d'observation est grande, la moyenne calculée est insensible aux variations rapides, mais représentative d'une variation lente. [0053] A la figure 3 sont représentées schématiquement des fenêtres d'observation F1, F2, F3, F4 positionnées sur l'axe temporel Gi par rapport à un instant temporel courant t, et sur l'axe temporel G, par rapport à un instant temporel courant tri o. 6 [0054] En variante, l'échantillon courant à l'instant temporel courant ti est pris en compte dans les fenêtres d'observation F,...F'. [0055] Suite à la mise en oeuvre du calcul de moyennes 30, à 300, n valeurs moyennes notées M, à M' sont obtenues, chaque moyennes Mi étant calculée sur une fenêtre d'observation de 2i échantillons. [0056] Chaque valeur moyenne Mi calculée est soustraite à la valeur d'échantillons courant E (étapes 32, à 32'), ce qui permet d'obtenir une valeur de différence A. [0057] Ensuite, les valeurs absolues des différences, 'Ail sont calculées lors d'étapes d'obtention de valeurs absolues 34, à 34'. [0058] Pour chaque fenêtre d'observation prise en considération, la valeur absolue de la différence calculée à l'étape 34, à 34' est comparée à une valeur de seuil C, à C' correspondante à l'étape de comparaison 361 à 36'. [0059] Les valeurs de seuil C, à C' sont des paramètres du procédé. [0060] Dans un mode de réalisation, les valeurs de seuil Ci sont choisies comme étant un pourcentage de la valeur maximale de variation du signal dont des échantillons E sont reçus, et sont mémorisées préalablement à l'exécution du procédé d'enregistrement. Par exemple, le pourcentage de la valeur maximale de variation dépend de la variable de fonctionnement surveillée. [0061] Dans un autre mode de réalisation, les valeurs de seuil Ci sont calculées en fonction de la moyenne et de l'écart type des échantillons de la fenêtre d'observation correspondante, par exemple selon la formule : [0062] Ci --=-Mi kxcxi [0063] Où a i est l'écart type des échantillons de la fenêtre d'observation correspondante, et k un facteur multiplicatif. Par exemple, k=3. [0064] Dans ce mode de réalisation, les valeurs de seuil C; évoluent au cours du temps, selon le glissement temporel des fenêtres d'observation, de la même manière que les valeurs moyennes M. [0065] Dans une autre mode de réalisation, les valeurs de seuils Ci sont toutes égales à une valeur de seuil C. [0066] Par exemple, pour la surveillance d'une alimentation les seuils sont définis en fonction du bruit de l'alimentation pour les moyennes courtes et en fonction d'un taux de variation maximum estimé en fonction de la consommation maximum, par exemple : 5%. [0067] Le seuil appliqué sur la moyenne courte est de 3 fois l'amplitude du bruit, le seuil appliqué sur la moyenne la plus longue de 5% de la tension d'alimentation. Les seuils appliqués sur les moyennes intermédiaires sont définis par interpolation linéaire en fonction des durées des moyennes. [0068] Dès que l'une des valeurs absolues de différence 'Ail dépasse la valeur de seuil Ci, 7 une somme binaire effectuée à l'étape 38 est mise à 1, et un signal ST de déclenchement de l'enregistrement est émis. L'étape 38 est alors suivie d'une étape 40 d'enregistrement de l'échantillon courant E dans une mémoire non volatile. [0069] Les échantillons utilisées pour les calculs 30; des moyennes et les valeurs moyennes Mi sont mémorisées seulement temporairement, dans la mémoire vive, pendant l'exécution du procédé. [0070] Si aucune des valeurs absolues de différence lAil ne dépasse la valeur de seuil corres- pondante Ci, l'échantillon courant n'est pas enregistré car il est considéré que son enregistrement n'est pas utile, dans la mesure où sa valeur n'est pas significativement différente des valeurs moyennes calculées sur les fenêtres d'observation de durées différentes. [0071] Après avoir effectué l'étape 38, le procédé retourne à l'étape 28 de réception d'un échantillon suivant, et les étapes 30; à 36; sont itérées, avec des fenêtres d'observation glissantes. [0072] La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation d'un dispositif d'enregistrement 4 selon l'invention. [0073] Dans cc deuxième mode de réalisation, le dispositif d'enregistrement 4 est un dispositif analogique, qui comprend une pluralité de filtres 50, à 50'. Chaque filtre 501 effectue une moyenne sur des échantillons obtenus par filtrage passe-haut à fréquence de coupure 1/Ti où Ti est la durée de la fenêtre d'observation correspondante. [0074] La différence Ai entre l'échantillon courant et chaque valeur moyenne Mi, obtenue en sortie du filtre 50i, est obtenue par un comparateur 521. Les valeurs de différence obtenues sont comparées aux seuils correspondants Ci par des comparateurs à fenêtre 54. [0075] En sortie de chaque comparateur à fenêtre 54 on obtient un signal Si qui indique si la différence Ai est comprise entre les valeurs de seuil -Ci et Ci ou pas, le signal Si étant égal à 1 par exemple lorsque la valeur Ai n'est pas comprise entre les valeurs de seuil. [0076] Une somme des signaux Si est effectuée par un module 56 qui génère le signal ST de commande d'enregistrement de l'échantillon E est obtenu en sortie du module 56. De manière analogue au premier mode de réalisation, le signal ST commande un enregistrement dès que l'un des signaux Si est égal à 1. [0077] Avantageusement, la prise en considération simultanée de moyennes calculées sur des fenêtres d'observation de durées différentes permet de vérifier à la fois la présence de variation à court terme et à plus long terme. [0078] Dans les modes de réalisation de l'invention décrits ci-dessus, les fenêtres d'observation ont été choisies de tailles croissantes, multipliées par deux entre deux fenêtres successives. En variante, il est possible de choisir d'autres tailles de fenêtres d'observation. Par exemple, les tailles de fenêtres d'observation Taille; peuvent 8 progresser selon une autre loi, par exemple une progression du type : L, avec L une valeur entière, par exemple L=1. [0079] De même, dans les modes de réalisation décrits il a été considéré que des fenêtres d'observation de tailles croissantes selon une progression régulière sont utilisées. En variante, il est possible de choisir un sous-ensemble de fenêtres d'observations, par exemple utiliser uniquement les fenêtres FI et F4, auquel cas seulement des variations court-terme sont prises en considération, ou bien utiliser les fenêtres F4 à F12, auquel cas les variations de court-terme ne sont pas prises en considération. [0080] Tl est également noté que le procédé de l'invention fonctionne après réception d'un nombre d'échantillons au moins égal à la taille Taille' de la fenêtre d'observation F' la plus grande. Dans un mode de réalisation, le procédé est mis en oeuvre avec un temps de latence permettant la réception de suffisamment d'échantillons. [0081] En variante, il est possible d'initialiser les valeurs des Taille' premiers échantillons à des valeurs par défaut. [0082] Avantageusement, le procédé de l'invention permet la prise en considération de va- riations rapides et lentes, et le déclenchement des enregistrements dès que des variations sont constatées. Ainsi, les données numériques enregistrées (les échantillons) sont représentatives des variations de la variable de fonctionnement observée et permettent les calculs de surveillance et de maintenance prédictive. A l'inverse, lorsque les échantillons de la variable de fonctionnement observée ont des valeurs sensiblement proches sur une durée temporelle supérieure ou égale à la durée de la fenêtre d'observation F', aucun enregistrement n'est effectué, donc la taille de la mémoire de stockage non volatile nécessaire est diminuée. 9