Structuration et exploitation de base de connaissances dans la conception de produits

Chronologie du développement de l'axe

Les travaux du CGI relevant de la conception ont été initialisés par E.Caillaud en 1995 rejoint par M.Aldanondo en 1998. L'encadrement des thèses de L.Franchini (2000) et K.Hadj-Hamou (2002) ont permis à E.Caillaud de passer son HdR, d'être qualifié PU en 2001 et recruté comme professeur à l'ULP de Strasbourg en 2002. Le poste libéré par E.Caillaud a permis de recruter K.Hadj-Hamou en 2002. Lors du lancement du projet européen VHT, P.Gaborit a rejoint l'équipe conception. L'encadrement de la thèse d'E.Vareilles sur ce projet a permis à K.Hadj-Hamou (dont la nationalité non européenne ne lui permettait pas d'être titularisé à l'Ecole des Mines) d'être qualifié puis recruté comme maître de conférences à l'INPG-ENSGI de Grenoble en 2004. Le poste libéré a été mis au concours et a permis de recruter E.Vareilles en 2005. L'équipe, constituée d'un professeur et de deux maître-assistants est donc maintenant stabilisée depuis quatre ans. M.Aldanondo apporte les compétences en ingénierie, conception et modélisation par contraintes, E.Vareilles les compétences en intelligence artificielle, propagation de contraintes et informatique et P. Gaborit, outre ses compétences en intelligence artificielle et informatique, amène son savoir-faire plus opérationnel lié au développement et au maquettage d'applications. Suivant les contrats, des ingénieurs de recherche post-doc sont recrutés régulièrement pour des CDD de 10/12 mois.

Objectifs de l'équipe

La définition de notre projet d'équipe de recherche trouve ses fondements dans les constats suivants :

• une durée de vie produit/système plus courte, des conceptions ou actualisations produit plus fréquentes, un cycle de conception plus bref,
• des technologies employées en constante évolution nécessitant une acquisition de connaissances permanente,
• une diversité produits pouvant aller jusqu'au sur-mesure nécessitant une personnalisation de produit ou configuration.

Ces tendances et la masse d'informations et de connaissances à traiter en découlant exigent des concepteurs toujours plus d'attention et un travail cognitif toujours plus intense. Il en résulte une augmentation des risques, que le produit réponde imparfaitement aux besoins du demandeur, qu'il soit difficilement réalisable, ou encore qu'il le soit à un coût prohibitif. L'objectif de nos travaux est donc de limiter ces risques et erreurs en proposant des outils logiciels et des environnements méthodologiques destinés à capitaliser et exploiter des connaissances académiques, expertes ou métiers pour aider la conception.

Les travaux effectués sur différentes problématiques industrielles ont conduit à considérer deux natures de connaissances, « domaine produit » et « diversité produit », conduisant à des problématiques industrielles différentes :

• la première recouvre aussi bien des aspects scientifiques et techniques que des règles métier, elle est nécessaire pour la définition du produit et débouche sur des problématiques d'aide à la conception de produit,
• la seconde nature de connaissance est liée à la diversité des produits qui débouche sur les problématiques d'aide à la personnalisation ou configuration de produit.

Nous visons donc à aider un type de conception plutôt « routinier » où de la connaissance aussi bien académique que métier existe du fait de la récurrence de l'activité. Nos travaux considèrent que, pour ce type de conception, l'aide à la conception peut se formaliser comme un problème de satisfaction de contraintes (CSP). Nous nous intéressons plus spécifiquement à l'aide interactive exploitant les principes de filtrage ou de propagation de contraintes. Les objectifs scientifiques de nos travaux visent alors à :

• définir des modèles et des architectures de modèles de connaissances en fonction du problème d'aide à la conception visé (produit, procédé, service, définition, validation, évaluation...),
• élaborer, identifier, adapter, assembler des algorithmes (CSP discrets, continus, mixtes, conditionnels, structurés...) et des traitements exploitant la connaissance modélisée (aide au choix, optimisation, explication, préférence...),
• coupler le processus de conception avec des processus connexes (planification de projet de conception, définition de chaîne logistique...), associer les techniques de propagation de contraintes avec d'autres techniques d'aide à la conception (raisonnement à partir de cas, optimisation évolutionnaire...).

Synthèse des résultats de ces dernières années

Nous ne détaillons pas les travaux et résultats antérieurs à 2005. Seul, le travail de thèse de K.Hadj-Hamou mérite d'être brièvement commenté du fait, d'une part d'une publication significative en 2006 (European Journal of Operational Research. Vol. 169 No. 3 pp. 1030-1047, 2006) et d'autre part, parce qu'il constitue le premier travail de l'équipe portant sur le couplage de deux domaines. Effectué avec J.Lamothe de l'axe logistique, le travail visait à coupler aide à la conception de produit et aide à la conception de chaîne logistique. Le sous-traitant automobile Siemens Automotive souhaitait disposer d'une aide à la conception de ses faisceaux électriques qui soit cohérente avec son système de production multi-sites. Ce concours de circonstances a permis la réalisation du travail de thèse, qui a proposé une démarche de conception associant une aide à la configuration de produit et une aide à la conception de chaîne logistique. D'un point de vue scientifique, les travaux ont débouché sur une proposition de méthode en deux étapes : définition de familles de produits (association de CSP discrets et conditionnels) puis optimisation simultanée de la famille produit et de la chaîne logistique (programmation linéaire).

Depuis 2005, trois grands projets multipartenaires ont orienté et supporté les travaux les travaux :

• la fin du projet VHT (projet européen IMS VHT pour Virtual Heat Treatment n° G1RD-CT-2002-00835) visant à capitaliser et exploiter la connaissance nécessaire pour la définition d'opérations de traitement thermique,
• le montage et le lancement du projet ATLAS (projet ANR Techlog-07TLOG002) visant à associer conception produit/système et planification de projet,
• le montage et le lancement du lot-6 du projet Helimaintenance R&D-1 (projet pôle de compétitivité Aerospace Valley financé par FUI-DGE) visant à coupler approches par contraintes et approches par analogie pour aider à la définition d'opérations de maintenance d'hélicoptère.

Les travaux liés à ces projets sont rapportés et commentés.

Projet européen VHT et travaux connexes

Le projet VHT pour Virtual Heat Treatment (VHT) visait à définir un système à base de connaissance pour aider la définition d'opérations de traitement thermique. Outre des lots de travail sur le recueil et la validation de connaissances, deux lots avaient pour objectif de définir et de mettre au point un environnement complet d'aide à la conception regroupant approche par contraintes et raisonnement à partir de cas. Ceci a constitué le cadre de la thèse d'E.Vareilles, encadrée par M.Aldanondo K.Hadj-Hamou et P.Gaborit. Plusieurs modèles de connaissances ont été obtenus et validés, une maquette logicielle et un démonstrateur ont été développés.

D'un point de vue scientifique, la contribution a concerné l'assemblage de CSP discrets et continus, l'exploitation de l'arithmétique des intervalles ainsi que des propositions d'extension de l'emploi de la technique des arbres quaternaires. Outre une contribution bien équilibrée ente les aspects modélisation et traitement, le travail a permis d'aborder un problème réel d'aide à la conception et d'interagir avec les utilisateurs et de leur faire découvrir l'intérêt des approches par contraintes. Deux publications significatives sont associées à ce travail (International Journal of Computer Integrated Manufacturing, vol.21 n°4, pp 353-365, 2008 - Engineering Applications of Artificial Intelligence, n°22, pp 778-785, 2009).

Les travaux effectués pour le projet VHT et d'autres travaux antérieurs sur l'aide à la configuration (thèses de G.Moynard et M.Véron entre autres) visant à utiliser le cadre des problèmes de satisfaction de contraintes en aide interactive sur des problématiques réelles ont été confrontés au besoin de modulation ou de pilotage de l'existence de variables et des contraintes dans les problèmes. Les travaux sur ce sujet étant peu fréquents, la thèse de T.Van Oudenhove (2006), encadrée par P.Gaborit, M.Aldanondo et E.Vareilles en dernière année, a visé à combler ce manque. Ces travaux un peu plus fondamentaux ont débouché d'une part sur une forme d'unification de différentes extensions des CSP conditionnels compatibles avec les problèmes mixtes et, d'autre part, sur des propositions de modélisation permettant des qualités de filtrages différentes. Les contributions sont avant tout d'ordre algorithmique, elles ont été testées et associées à la maquette logicielle issue des développements effectués dans VHT. Un travail de publication sur ce thème est en cours.

Projet ANR-RNTL ATLAS et travaux connexes

Le travail sur le couplage conception produit et conception chaîne logistique et la montée en compétence sur les contraintes numériques nous ont conduit à essayer d'associer conception produit et planification de sa réalisation. En d'autres termes, associer « le quoi », « le comment », avec « le quand ». C'est à dire, de manière interactive, essayer de répercuter les décisions de conception sur la planification de sa conception et réalisation, mais surtout, ce qui est moins courant, de répercuter les décisions ou contraintes de planification sur l'espace des solutions de conception. Une première thèse sur ce sujet ayant été effectuée au LATTIS de l'INSA de Toulouse, le travail de thèse de Y. Lahmar puis de M.Djefel a été initialisé en 2006 puis 2007 par E.Vareilles et M.Aldanondo sur ce sujet en co-encadrement avec C.Baron de l'INSA. Dans cette dynamique, un projet multipartenaires CSPRO2 pour « conception produit projet » avait été déposé sans succès à l'ANR en 2006 par l'INSA. En 2007, nous avons re-formulé le projet sous le nom de « ATLAS » pour « Aides et assisTances pour la conception, la conduite et leur coupLage par les connAissanceS » (Atlas) en intégrant des utilisateurs finaux et le pole de compétitivité Aerospace valley. Ce projet a été accepté par l'ANR fin 2007, lancé début 2008, et nous en sommes responsables (1.7 M€ - 18 années-hommes).

Cinq travaux de thèse sont liés à ce projet et deux de ces travaux nous concernent dans ce cadre. La thèse de M.Djefel, lancée en avance de phase en 2007, fait maintenant partie intégrante de ce projet. De manière similaire au couplage conception produit - conception chaîne logistique, les approches par contraintes sont utilisées en aide à la conception et aussi en aide à la planification. La problématique des travaux s'interroge en conséquence sur l'intérêt d'associer ces deux problèmes et de répercuter les conséquences des décisions d'un environnement dans l'autre. Pour ce faire, M.Djefel travaille actuellement sur l'association de la configuration de produit (CSP discrets) avec la planification en exploitant les CSP temporels. En anticipation de ce travail, certains résultats anciens sur la configuration de réseaux de tâches issus des travaux de G.Moynard ont été retravaillés et publiés (Journal Européen des Systèmes Automatisés, vol. 41, pp 567-584, 2007 - Journal of Intelligent Manufacturing, vol. 19 n° 5, pp 521-535, 2008). Les premiers résultats sur l'exploitation des approches par contraintes pour un tel couplage vont être publiés prochainement (International Journal of Mass Customization - sous presse).

Le second travail de thèse a été initialisé en 2008, en même temps que le projet, et vise à identifier, caractériser et formaliser les pratiques de couplage conception/planification des industriels. Ce travail s'inscrit dans un lot complet du projet ATLAS dont la responsabilité a été confiée à l'entreprise Pulsar Innovation et qui joue le rôle d'utilisateur final : expression des besoins, fourniture de jeux d'essais et validation finale. Ce cadre correspond à la thèse de J.Abeille, en convention CIFRE avec la société Pulsar Innovation, co-encadrée actuellement par E.Vareilles et T.Coudert (Mcf ENIT-LGP) et co-dirigée par L.Geneste (Pr ENIT-LGP) et M.Aldanondo. Un premier travail d'analyse sur le terrain industriel a été lancé. Quatre formes de couplages ou d'interactions entre conception et planification ont été identifiées dont le couplage par contraintes.

Projet FUI-DGE Helimaintenace-R&D et travaux connexes

Les travaux sur le projet VHT et sur un autre projet pluri-partenaires non évoqué OME (pour Outil Métier pour l'Emboutissage, piloté par le Cetim, associant raisonnement à base de cas et aide à la décision à base de règle terminé en 2004), nous ont conduit à nous interroger sur l'intérêt d'associer raisonnement à base de cas et approche par contraintes. Le projet Hélimaintenance nous a offert un cadre pour initialiser un travail sur ce sujet.

Hélimaintenance, labellisé par le pôle Aerospace Valley, a pour but de mettre en place physiquement à Montauban un centre de maintenance d'Hélicoptères militaires et civils. Dans ce cadre, un système à base de connaissance pour l'aide à la décision en maintenance doit être développé et associé à un observatoire de la maintenance. Un projet multi-partenaires, Hélimaintenance-R&D-1, a été déposé auprès de la DGE. Refusé en 2007, il a été accepté en 2008 et lancé fin 2008 (Hélimaintenance). La prise de recul nécessaire à son montage a permis de synthétiser et de publier des résultats sur l'aide à la décision et l'évaluation de solutions aidées par des connaissances (International Journal of Computer Integrated Manufacturing - vol. 20 n° 7, pp 639-651, 2007).

En ce qui nous concerne, un des six lots de travail nous est confié et vise la mise au point d'un démonstrateur du système d'aide à la décision pour validation et déploiement ultérieur. En considérant nos expériences passées en matière de système d'aide à la décision dans de grands projets (entre autres VHT et OME), il nous est apparu que l'exploitation simultanée de connaissances implicites (avec le raisonnement à partir de cas) et de connaissances explicites (avec les approches par contraintes) pouvait être investiguée dans le cadre de l'aide à la définition d'opération de maintenance. Un étudiant de Master a étudié fin 2008 le processus de maintenance des hélicoptères et réalisé les premières analyses. L'étude de la faisabilité et des intérêts de ce couplage constitue l'objectif scientifique du travail de thèse de A. Codet de Boisse, encadré par E.Vareilles et M.Aldanondo, qui va démarrer à l'automne 2009. La compétence en raisonnement à partir de cas sera apportée par l'ENIT-LGP qui sera également associé à l'encadrement de la thèse.

Synthèse de la production

Le tableau ci-dessous synthétise, suivant les thèmes de travail, les résultats associés aux projets et thèses évoqués ci-dessus. On y rappelle les résultats scientifiques associés (publication dans des journaux, chapitres de livre, communications), partenaire industriel ou projet ayant supporté la thèse, partenaire académique (dans d'autres laboratoires ou dans d'autres axes du CGI).

Perspectives

Ce bilan permet de dégager :

• une répartition variée des travaux entre les problématiques de modélisation, de traitement et de couplage de domaines et d'outils,
• un ancrage sur des problématiques issues des entreprises s'intéressant au produit, au procédé, au système de production et maintenant aux services avec Hélimaintenance,
• la position clé du formalisme à base de contraintes dans tous les travaux, exploitant, assemblant et adaptant différentes extensions du formalisme CSP,
• la prédominance de l'aide interactive et de la propagation de contraintes.

Les pistes de travail identifiées, qui pourraient ultérieurement se concrétiser suivant les opportunités de collaborations académiques et industrielles, sont relatives à l'aide à la conception aidée par les contraintes, au couplage d'outils, à l'exploitation de ces approches sur de nouvelles problématiques applicatives :

• en ce qui concerne l'aide à la conception aidée par la propagation de contraintes :

  1. l'aide à la conception distribuée,
  2. les problèmes de re-conception et les modèles de conception évolutifs,
  3. l'emploi des mécanismes d'explications en aide à la conception (premiers échanges actuels avec l'Ecole des Mines de Nantes),
• en ce qui concerne le couplage d'outils, associer contraintes en conception avec :
  1. les techniques de diversité compilée,
  2. les mécanismes de raisonnement à partir de cas (travaux de A.Codet de Boisse en initialisation avec ENIT-LGP),
  3. les réseaux de Neurones,
  4. l'optimisation évolutionnaire (travaux de fin de thèse de M.Djefel avec LATTIS-INSA),
• en ce qui concerne les terrains d'applications :
  1. les systèmes d'information (avec CGI axe OIPA),
  2. les projets et processus,
  3. la prise en comte et/ou l'estimation des risques (avec CGI axe OIPA),
  4. les systèmes de production reconfigurables (montage de projet ANR discuté avec Ensam Metz et Mines de Saint-Etienne).

L'ensemble de tous ces travaux a également permis à E.Vareilles et P.Gaborit le développement d'une maquette de démonstration consultable sur le web, dénommée COFIADE (pour Constraint FIltering for Aiding Design (Cofiade)). Cette maquette intègre progressivement les contributions de tous les travaux, les jeux d'essais des thèses et des publications. Bien qu'il soit admis que les modèles de contraintes soient relativement abordables et compréhensibles par les non informaticiens, l'ergonomie permettant l'écriture des modèles et l'exploitation des systèmes d'aide est à améliorer afin de faciliter l'appropriation de ces outils par les industriels. Ce dernier point constitue également une piste à considérer en complément des développements autour de COFIADE.

Quelques publications récentes...

• E. Vareilles, M. Aldanondo, P. Gaborit - How to take into account piecewise constraints in constraint satisfaction problems - Engineering Applications of Artificial Intelligence - n°22, pp 778-785, 2009. ( voir)
• Vareilles E., Aldanondo M., Djefel M. Baron C., Vers un cadre permettant de faire interagir concepteurs de produit et gestionnaires de projet, Logistique et Management vol 16 n°1 2008 (voir)
• M. Aldanondo, E. Vareilles - Configuration for mass customization: how to extend product configuration towards requirements and process configuration - Journal of Intelligent Manufacturing - vol. 19 n° 5, pp 521-535, 2008. (voir)
• M. Aldanondo, E. Vareilles, K. Hadj-Hamou, P. Gaborit - Aiding Design with Constraints: an Extension of Quad Tree in order to deal with Piecewise Functions - International Journal of Computer Integrated Manufacturing - vol. 21 n° 4, pp 353-365, 2008. (voir)
• Michel Aldanondo, Elise Vareilles, Yosra Lahmar, Claude Baron, Guillaume Moynard - Une approche pour la configuration cohérente de produit et de gamme de production - Journal Européen des Systèmes Automatisés - vol. 41, pp 567-584, 2007
• Elise Vareilles, Michel Aldanondo, Paul Gaborit - Evaluation and design: a knowledge-based approach - International Journal of Computer Integrated Manufacturing - vol. 20 n° 7, pp 639-651, 2007. (voir)
• M. Aldanondo, E. Vareilles, K. Hadj-Hamou, Paul Gaborit - A constraint based approach for aiding heat treatment operation design and distortion evaluation - In the book : Artificial Intelligence Applications and Innovations - vol. 204 of IFIP series Springer Boston - pp 254-261, 2006. (voir)
• M. Aldanondo, E. Vareilles, P.Lamesle, K. Hadj-Hamou, Paul Gaborit - Une approche par contraintes du Design For X, une application en traitement thermique - Chapitre 8 du livre : Ingénierie de la conception et cycle de vie du produit - traité IC2, Ed Hermes - pp 169--187, 2006
• Jacques Lamothe, Khaled Hadj-Hamou, Michel Aldanondo - An optimization model for selecting a product family and designing its supply chain - European Journal of operational Research - n° 169 pp 1030-1047, 2006. (voir)
• Jacques Lamothe, Khaled Hadj-Hamou, Michel Aldanondo - Product Family and supply chain design - Chapter 13 of the book : Supply chain and optimization product/process design facility location and plant control - Ed Springer - pp 175-190, 2005