Approche Fonctionnelle

Introduction : Pourquoi l'approche fonctionnelle ?

L'approche fonctionnelle consiste a decrire un systeme par ce qu'il fait (ses fonctions) plutot que par ce qu'il est (sa structure). Cette methode permet de se concentrer sur le besoin de l'utilisateur avant de choisir les solutions techniques.

Exemple concret : pour un aspirateur robot, l'approche fonctionnelle definira “nettoyer le sol automatiquement” avant de choisir entre brosse rotative, aspiration ou serpillere motorisee.

Origine historique

L'analyse fonctionnelle a ete formalisee dans les annees 1960-70, notamment par Lawrence D. Miles (analyse de la valeur chez General Electric) et Charles Bytheway (methode FAST). Elle est aujourd'hui normalisee par les normes NF X50-150 a 153 et NF EN 1325.

Distinction fondamentale :
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APPROCHE STRUCTURELLE        │  APPROCHE FONCTIONNELLE
─────────────────────────────┼─────────────────────────
Repond a : "Comment ?"       │  Repond a : "Pourquoi ?"
Decrit les composants        │  Decrit les fonctions
Solution-oriented            │  Besoin-oriented
Ex: "Moteur 250W brushless"  │  Ex: "Propulser le vehicule"

→ L'approche fonctionnelle PRECEDE l'approche structurelle

1. Analyse Fonctionnelle Externe (AFE)

L'AFE etudie le systeme du point de vue de l'utilisateur, sans entrer dans sa constitution interne. Elle identifie les elements du milieu exterieur (EME) avec lesquels le systeme interagit. On considere le systeme comme une “boite noire”.

1.1 Identification des EME

Les EME sont tous les elements exterieurs avec lesquels le systeme est en relation pendant son utilisation. On distingue plusieurs categories :

EME Humains

Utilisateur principal
Operateur de maintenance
Installateur

EME Physiques

Sol, support, structure d'accueil
Objets environnants (obstacles)
Autres systemes connectes

EME Energetiques

Reseau electrique (230V, 400V)
Sources renouvelables (PV, eolien)
Carburant, air comprime

EME Environnementaux

Temperature ambiante
Humidite, poussiere
Normes et reglementations

1.2 Le Diagramme Pieuvre

Le diagramme pieuvre (ou diagramme des interacteurs) represente graphiquement le systeme au centre, entoure des EME, relies par des fonctions de service. C'est l'outil central de l'AFE.

              DIAGRAMME PIEUVRE - Aspirateur Robot
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      UTILISATEUR                           ENVIRONNEMENT
           │                                (Temp, humidite)
           │ FP1                                 │
           │ (nettoyer)                          │ FC4
           ▼                                     ▼
    ┌──────────────────────────────────────────────────────┐
    │                                                      │
SOL─│────────FP1────────── ASPIRATEUR ──────FC5───────────│─NORMES
    │                        ROBOT                         │ (CE, EMC)
    │                                                      │
    └──────────────────────────────────────────────────────┘
           │                    │                   │
           │ FC1                │ FC2               │ FC3
           │ (eviter)           │ (alimenter)       │ (communiquer)
           ▼                    ▼                   ▼
      OBSTACLES            ENERGIE              SMARTPHONE
     (meubles)           ELECTRIQUE              (appli)

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Legende :
FP1 : Nettoyer le sol automatiquement (PRINCIPALE)
FC1 : Detecter et eviter les obstacles
FC2 : S'alimenter en energie electrique (batterie)
FC3 : Permettre le pilotage a distance
FC4 : Resister a l'environnement (poussiere, humidite)
FC5 : Respecter les normes de securite et CEM

Regle de construction

FP (Fonction Principale) : relie au moins 2 EME via le systeme - c'est la raison d'etre du produit
FC (Fonction Contrainte) : relie 1 seul EME au systeme - c'est une adaptation ou limitation
Toujours formuler avec un verbe a l'infinitif + complement

1.3 Types de Fonctions de Service

Fonctions Principales (FP)

Justifient la creation du systeme. Relient au moins 2 EME.

Ex: “Permettre a l'utilisateur de nettoyer le sol automatiquement”

Test : Si on supprime cette fonction, le systeme n'a plus de raison d'exister.

Fonctions Contraintes (FC)

Limitent la liberte du concepteur. Relient 1 seul EME.

Ex: “Resister a la poussiere”, “S'alimenter en 230V”

Types : FC d'usage, FC d'estime, FC de securite, FC reglementaire

1.4 Caracterisation des Fonctions

Chaque fonction de service est caracterisee par des criteres d'appreciation (grandeurs mesurables), des niveaux (valeurs cibles) et une flexibilite (marge de manoeuvre).

Fonction	Critere	Niveau	Flex.
FP1: Nettoyer le sol	Surface nettoyee en 1 cycle	150 m2 +/- 20%	F1
FC1: Eviter les obstacles	Distance de detection	>= 5 cm	F0
FC2: Autonomie batterie	Duree de fonctionnement continu	90 min +/- 10%	F2
FC3: Pilotage distant	Temps de reponse	< 2 s	F1
FC5: Normes	Conformite	CE, EN 60335	F0

Echelle de flexibilite

F0 : Imperatif
Non negociable

F1 : Peu flexible
+/- 10%

F2 : Negociable
+/- 20%

F3 : Tres flexible
> +/- 20%

2. Analyse Fonctionnelle Interne (AFI)

L'AFI entre dans la “boite noire” pour identifier les fonctions techniques (FT)qui permettent de realiser les fonctions de service. Elle repond a “Comment le systeme fonctionne-t-il ?”

AFE vs AFI

AFE (Externe)

Point de vue utilisateur
Fonctions de service (FP, FC)
Outils : Pieuvre, CDCF

AFI (Interne)

Point de vue concepteur
Fonctions techniques (FT)
Outils : FAST, BDF, SADT

2.1 Le Diagramme FAST

Le FAST (Function Analysis System Technique) decompose une fonction de service en fonctions techniques, jusqu'aux solutions constructives. C'est un arbre de decomposition fonctionnelle.

Lecture : POURQUOI ? vers la gauche | COMMENT ? vers la droite

FP1: Nettoyer le sol automatiquement

|-- FT1: Se deplacer dans la piece

|-- FT1.1: Generer le mouvement

|-- Solution: Moteurs DC avec encodeurs

|-- FT1.2: Assurer l'adherence au sol

|-- Solution: Roues caoutchouc O 65mm

|-- FT1.3: Naviguer intelligemment

|-- FT1.3.1: Cartographier - Lidar 360

|-- FT1.3.2: Planifier trajet - Algorithme SLAM

|-- FT2: Aspirer les saletes

|-- FT2.1: Creer la depression

|-- Solution: Turbine 2000 Pa

|-- FT2.2: Agiter les fibres

|-- Solution: Brosse rotative centrale

|-- FT2.3: Filtrer l'air rejete

|-- Solution: Filtre HEPA H13

|-- FT3: Stocker les dechets

|-- FT3.1: Contenir - Bac 0.5L extractible

Regle d'arret : Dans un FAST, on s'arrete quand on atteint une solution technique concrete(composant, materiau, procede). Les niveaux intermediaires sont des fonctions techniques (FT).

2.2 Bloc Diagramme Fonctionnel (BDF)

Le BDF represente les flux (energie, information, matiere) entre les differents blocs fonctionnels du systeme. Il montre l'architecture fonctionnelle interne et les echanges entre sous-systemes.

         BLOC DIAGRAMME FONCTIONNEL - Aspirateur Robot
═══════════════════════════════════════════════════════════════

                        Consignes utilisateur (WiFi)
                                │
                                ▼
┌─────────────┐    Position    ┌─────────────┐    Commandes
│  ACQUERIR   │───────────────→│   TRAITER   │────────────────┐
│  (Capteurs) │                │   (uC ARM)  │                │
│             │  Obstacles     │             │                │
│ • Lidar     │───────────────→│ • Algo SLAM │                │
│ • Encodeurs │                │ • Gestion   │                │
│ • Gyroscope │                │   energie   │                │
└─────────────┘                └─────────────┘                │
      ▲                              │                        │
      │ Mesures                      │ Etat                   │
      │                              ▼                        │
┌─────────────┐              ┌─────────────┐                  │
│ COMMUNIQUER │←─────────────│  AFFICHER   │                  │
│ (WiFi/BLE)  │              │   (LEDs)    │                  │
└─────────────┘              └─────────────┘                  │
      │                                                       │
      ▼ App smartphone                                        │
                                                              │
┌─────────────┐    Energie    ┌─────────────┐    Mvt    ┌─────────────┐
│ ALIMENTER   │──────────────→│  CONVERTIR  │─────────→│ TRANSMETTRE │
│ (Batterie)  │               │  (Moteurs)  │          │  (Roues)    │
│ Li-ion 14.4V│               │  DC + PWM   │          │             │
└─────────────┘               └─────────────┘          └─────────────┘
                                    │
                                    │ Rotation
                                    ▼
                              ┌─────────────┐
                              │   AGIR      │
                              │  (Brosse +  │
                              │   Turbine)  │
                              └─────────────┘

2.3 Les 6 fonctions generiques (chaine fonctionnelle)

Tout systeme technique peut etre decompose selon 6 fonctions generiques qui forment la chaine fonctionnelle :

ACQUERIR

Capter les informations (capteurs)

TRAITER

Analyser et decider (microcontroleur)

COMMUNIQUER

Echanger des donnees (IHM, reseau)

ALIMENTER

Fournir l'energie (batterie, secteur)

CONVERTIR

Transformer l'energie (moteurs)

TRANSMETTRE

Adapter et transferer (reducteur, roues)

3. Hierarchisation des Fonctions

Toutes les fonctions n'ont pas la meme importance. Le tri croise permet de les classer par ordre de priorite en les comparant deux a deux. Cela permet d'allouer les ressources de conception en priorite aux fonctions les plus importantes.

3.1 Methode du Tri Croise

On compare chaque fonction a toutes les autres. A chaque comparaison, on note quelle fonction est prioritaire avec une note de 1 a 3 selon l'ecart d'importance :

1 = legerement plus importante
2 = nettement plus importante
3 = beaucoup plus importante
0 = equivalente (le point est partage)

	FC1	FC2	FC3	FC4	Total	%
FP1 (nettoyer)	FP1=2	FP1=3	FP1=2	FP1=1	8	40%
FC1 (obstacles)		FC1=2	FC1=1	FC1=1	4	20%
FC2 (autonomie)			FC3=1	FC2=1	1	5%
FC3 (appli)				FC3=1	2	10%
FC4 (normes)					5	25%

3.2 Histogramme des Fonctions

Le resultat du tri croise est souvent represente sous forme d'histogramme, permettant de visualiser rapidement les fonctions prioritaires.

FP1 (nettoyer)

40%

FC4 (normes)

25%

FC1 (obstacles)

20%

FC3 (appli)

10%

FC2 (autonomie)

Interpretation : La fonction principale FP1 (nettoyer) represente 40% de l'importance totale. Le concepteur doit y consacrer le plus de ressources. Les normes (FC4) arrivent en 2e position car elles sont non negociables (homologation). L'autonomie (FC2) a 5% suggere que l'utilisateur accepte une autonomie moyenne si le nettoyage est excellent.

4. Exemples Industriels

4.1 Velo a Assistance Electrique (VAE)

      DIAGRAMME PIEUVRE - VAE
═══════════════════════════════════════════

   CYCLISTE                    ROUTE
       │                         │
       │ FP1                     │ FC2
       │ (propulser)             │ (adherer)
       ▼                         ▼
   ┌───────────────────────────────────┐
   │           VAE                     │
   └───────────────────────────────────┘
       │         │         │         │
      FC1       FC3       FC4       FC5
       │         │         │         │
       ▼         ▼         ▼         ▼
   ENERGIE   REGLE-    ENVIRON.   BAGAGES
   (batterie) MENTATION (pluie)   (charge)

FP1 : Assister le cycliste dans ses deplacements
FC1 : Stocker et restituer l'energie (batterie Li-ion 36V 500Wh)
FC2 : Adherer a la route (pneus anti-crevaison, garde-boue)
FC3 : Respecter la reglementation (250W max, 25 km/h)
FC4 : Resister aux intemperies (IPX4)
FC5 : Transporter des charges (porte-bagages 25 kg)

4.2 Station de Recharge EV

Fonction	Critere	Niveau	Solution technique
FP1: Recharger le vehicule	Puissance delivree	22 kW (AC) / 150 kW (DC)	Convertisseur + connecteur Type 2
FC1: Identifier l'utilisateur	Temps reconnaissance	< 2 s	Badge RFID + appli mobile
FC2: Facturer la consommation	Precision	+/- 2% (MID)	Compteur certifie MID
FC3: Resister au vandalisme	Classe IK	IK10 (20 J)	Boitier acier + anti-arrachement

4.3 Drone de Livraison

FP1: Livrer un colis de facon autonome

|-- FT1: Voler de maniere stable

|-- FT1.1: Generer portance - 4 moteurs brushless + helices 12 pouces

|-- FT1.2: Stabiliser attitude - IMU 9 axes + PID

|-- FT1.3: Maintenir altitude - Barometre + GPS

|-- FT2: Naviguer vers destination

|-- FT2.1: Localiser - GPS RTK (precision moins de 2 cm)

|-- FT2.2: Eviter obstacles - Lidar + cameras stereo

|-- FT2.3: Planifier route - Algorithme A* + zones interdites

|-- FT3: Transporter le colis

|-- FT3.1: Fixer solidement - Crochet electromagnetique

|-- FT3.2: Limiter charge - Masse max 2.5 kg

|-- FT4: Deposer en securite

|-- FT4.1: Atterrir precisement - Vision par ordinateur

Points Cles a Retenir

1L'AFE analyse le systeme vu de l'exterieur : EME, fonctions de service (FP relie 2+ EME, FC relie 1 EME).
2Le diagramme pieuvre visualise les interactions systeme-environnement avec FP et FC.
3Chaque fonction est caracterisee par un critere (mesurable), un niveau (valeur) et une flexibilite (F0-F3).
4L'AFI entre dans le systeme : le FAST decompose fonctions - fonctions techniques - solutions.
5Le BDF montre les flux (energie, information, matiere) entre les 6 fonctions generiques.
6Le tri croise hierarchise les fonctions par comparaison deux a deux (notes 0-3).

Mini-Quiz

1. Quelle est la difference entre FP et FC ?

Reponse : FP relie au moins 2 EME (justifie le systeme), FC relie 1 seul EME (contrainte)

2. Dans quel sens lit-on un diagramme FAST ?

Reponse : Pourquoi ? vers la gauche, Comment ? vers la droite

3. Quel outil permet de hierarchiser les fonctions par importance ?

Reponse : Le tri croise (comparaison deux a deux avec notes 0-3)

4. Que signifie une flexibilite F0 pour une fonction ?

Reponse : Imperatif : le niveau ne peut pas etre modifie (souvent lie a la securite ou aux normes)

5. Quelles sont les 6 fonctions generiques de la chaine fonctionnelle ?

Reponse : ACQUERIR - TRAITER - COMMUNIQUER - ALIMENTER - CONVERTIR - TRANSMETTRE

6. Comment s'appelle le diagramme qui montre les flux entre blocs fonctionnels ?

Reponse : Le Bloc Diagramme Fonctionnel (BDF) ou diagramme de contexte interne

Objectifs du cours