Digitalisation et contrôle des systèmes industriels cyber-physiques

Ce chapitre présente le schéma fondateur du concept de système industriel cyber-physique. Cette schématisation générique du concept peut également se généraliser selon une vision système de systèmes où différents systèmes cyber-physiques industriels coopèrent et interagissent entre eux.

Le concept de développement durable répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs besoins. Aussi un modèle durable doit assurer un équilibre entre les impacts économiques, environnementaux et sociaux. L’objectif de ce chapitre est de montrer comment les systèmes cyber physique industriel CPIS possèdent les caractéristiques permettant de répondre aux défis du développement durable.

Ce chapitre se concentre sur la mise en œuvre des flux d’informations au sein de la partie « cyber » du système industriel cyber-physique, en tenant compte de l’évolution du système durant son cycle de vie.

Les nouvelles technologies issues de l’IIoT, applicables au sein des ICPS, sont devenues matures et économiquement accessibles, permettent de doter les ressources et les produits eux-mêmes des capacités de décision, de collecte et de traitement des données nécessaires au déploiement des ICPS. Ces entités industrielles, dotées de ces nouvelles fonctions, sont alors dites “intelligentes” et peuvent être utilisées comme éléments élémentaires de la partie physique des ICPS. Ce chapitre vise à montrer la contribution des produits intelligents à l’émergence et à la mise en oeuvre des ICPS.

La virtualisation dans la commande automatique industrielle avec des systèmes informatisés crée des versions virtuelles des plateformes matérielles de calcul, des réseaux informatiques, des équipements industriels et des systèmes de pilotage. La virtualisation est aussi la technologie permettant d’étendre Cloud Computing dans le domaine industriel aux services qui font l’orchestration des éléments matériel et logiciel, i.e. les technologies opérationnelles qui transposent dans le modèle Cloud Manufacturing des groupes de ressources (machines, robots) en services de production sur demande.

La transition numérique dans l’industrie se traduit par de nouveaux services s’appuyant sur les données issues de divers objets (capteurs, actuateurs, robots) au sein des ICPS. L’évolution rapide du nombre d’objets et des tâches qui y sont effectuées a augmenté la surface d’attaque des réseaux industriels. Le risque d’incident cyber augmente alors considérablement. La cybersécurité des systèmes cyber-physiques industriels est aujourd’hui au cœur des préoccupations, amplifiées par les récentes attaques sophistiquées, les exploits et les failles dans la conception de logiciels et de matériels.

L’avènement de l’industrie 4.0 a conduit à l’utilisation de structures de contrôle distribuées, à l’utilisation de la décentralisation des nœuds de contrôle et à l’introduction de l’intelligence pour transformer les actifs existants en processus et machines intelligents, et aussi à considérer les produits intelligents comme des acteurs importants de cet écosystème. Les systèmes multi-agents (MAS) et les systèmes holoniques sont adaptés pour faire face à ces besoins exigeants. Ce chapitre introduit les principaux fondements conceptuels des systèmes MAS et holoniques et présente les agents industriels comme une instanciation de ces paradigmes technologiques pour répondre aux exigences industrielles.

Au cours des 20 dernières années, les architectures de contrôle holoniques ont été largement étudiées comme une solution pertinente pour le pilotage des ICPS. L’objectif de ce chapitre est de présenter une étude des architectures holoniques existantes permettant d’identifier les apports de ce type d’architectures de contrôle pour les ICPS. En premier lieu, leurs caractéristiques historiques sont présentées, et démontrent une performance intéressante dans la partie Physique des ICPS. Ce chapitre présente ensuite les évolutions de ce concept ayant menées à une intégration pertinente dans la partie Cyber des ICPS.

Ce chapitre illustre, à travers les concepts de big data et de machine learning, comment il est possible d’exploiter l’immense masse de données qui peut être capitalisée au niveau de la couche cyber des ICPS. En effet, un ICPS est plus que la mise en réseau et l’exploitation des technologies de l’information. Les informations et les connaissances sont intégrées aux objets dans leur partie physique et sont connectées à leur partie cybernétique. En intégrant la perception, la communication, l’apprentissage, la génération de comportements et le raisonnement dans ces systèmes, une nouvelle génération de systèmes intelligents et autonomes peut alors être développée.

Pour construire une coopération acceptée par les humains, efficace en termes de complémentarité entre les acteurs, et efficiente en évitant que la coopération surcharge l’activité globale mais permette au contraire un accroissement des performances, la conception des systèmes cyber-physiques industriels humains (HICPS) doit s’appuyer sur une démarche méthodologique rigoureuse qui prend en compte l’ensemble des capacités précitées. Après une présentation rapide des méthodes de conception existantes, ce chapitre propose une description détaillée des différentes étapes nécessaires à la conception des HICPS.

Les systèmes de production s’adaptent aux évolutions du marché et intègrent les progrès techniques et sociaux. Ces systèmes sont donc maintenant qualifiés de système de production reconfigurable. Afin d’assurer cette reconfigurabilité, un système d’information robuste est nécessaire pour manager tous les acteurs du système de production. Ce chapitre illustre l’impact des systèmes industriels cyber-physiques sur les systèmes de production : comment ils permettent une amélioration des systèmes actuels.

Ce chapitre traite de l’impact des ICPS sur l’évolution des chaînes logistiques contemporaines et modernes au niveau organisationnel, décisionnel et opérationnel. L’application des ICPS dans un contexte à si grande échelle ouvrira de nouvelles opportunités et perspectives de recherche, notamment sur la topologie et l’interconnectivité des réseaux logistiques, la conceptualisation des protocoles de routage des flux logistiques, etc.

Ce chapitre traite de l’impact des ICPS sur les systèmes de transport tels que le rail, la route, etc., et de la manière dont les performances de ces systèmes de transport peuvent être améliorées grâce aux ICPS. Le champ d’application de ce chapitre concerne la production de services de transport de passagers, et non la production du système de transport lui-même (un autre chapitre est consacré à cet aspect). Quel que soit le mode de transport, le secteur est caractérisé par des forces push-pull et des facteurs de complexité qui font évoluer les produits des constructeurs et conditionnent leur compétitivité ainsi que celle des opérateurs de flotte.

Une étude visant à fournir une classification complète des technologies 4.0 actuellement étudiées et appliquées dans le secteur de la construction révèle que ces technologies parviennent enfin à se diffuser au sein de ce secteur, et à compléter les différentes fonctionnalités d’un ICPS. Il s’avère que 7 “briques” technologiques sont à l’étude et très régulièrement citées et appliquées par différents auteurs, à savoir : la fabrication numérique, la préfabrication, le BIM, l’intelligence artificielle, la modélisation, les technologies de relevé dimensionnel ou géographique, et le suivi des matériaux. Certaines des avancées les plus prometteuses sont présentées dans ce chapitre.

Comme dans le domaine industriel, mais sans doute avec beaucoup moins de maturité, les Systèmes Cyber-Physiques de Santé (HCPS) constituent un élément clé de l’évolution et de la modernisation du système de santé. Cependant, il est délicat et risqué d’imaginer une transposition directe des systèmes industriels cyber-physiques (ICPS) sans prendre en compte les spécificités du système de santé, présentées dans ce chapitre. Le terme ” système de santé ” désigne l’ensemble des organisations, institutions, ressources et personnes dont l’objectif principal est d’identifier et de satisfaire les besoins de santé de la population.

Une approche juridique et éthique spécifique aux systèmes cyber-physiques, a fortiori aux ICPS, n’est pas encore répandue. Cependant, nous constatons d’une part que les caractéristiques de ces systèmes permettent de faire des parallèles avec des sujets plus couramment abordés tels que l’intelligence artificielle (IA), l’Internet des objets et les robots, et d’autre part que le nouveau champ de recherche des systèmes cyber-physiques et humains (CPHS), englobant les ICPS pour leur impact social, commence à aborder ces questions. Afin d’analyser plus en détail les problèmes rencontrés, la question de l’éthique sera examinée plus en détail dans ce chapitre dans un premier temps, avant d’explorer plus spécifiquement la question de la responsabilité dans un second temps.

Pour configurer un programme d’études complet sur les ICPS, il faut tenir compte de leurs implications didactiques, sociales, technologiques et commerciales, notamment des interdépendances structurelles, fonctionnelles et organisationnelles entre les aspects cyber et physiques, ainsi que de l’intégration de l’homme dans l’écosystème. Cette interdépendance est plus évidente si le “processus de digitalisation” est formellement réalisé en suivant un cadre normalisé. Dans ce contexte, nous décrivons dans ce chapitre un cursus de niveau licence basé sur les recommandations de l’Institute of Apprenticeships & Technical Education (UK), puis un cursus de niveau master utilisant les spécifications RAMI 4.0 comme base formelle pour l’enseignement et l’apprentissage des ICPS.