Introduction : Qu'est-ce qu'un système ?
Un système technique est un ensemble organisé d'éléments en interaction, conçu pour satisfaire un besoin exprimé. Prenons l'exemple d'un vélo électrique : il intègre un cadre (structure), une batterie (énergie), un moteur (actionneur), un contrôleur (traitement), et des capteurs (vitesse, couple). Ces éléments interagissent pour permettre au cycliste de se déplacer avec assistance.
L'ingénierie système est une approche méthodologique qui permet de concevoir, analyser et optimiser ces systèmes complexes de manière structurée, en prenant en compte toutes les phases de leur cycle de vie.
Définition formelle (INCOSE)
L'ingénierie système est une approche interdisciplinaire permettant de réaliser des systèmes réussis. Elle couvre l'ensemble du cycle de vie, de la définition des besoins à la fin de vie, en passant par la conception, la production, l'exploitation et la maintenance.
Caractéristiques d'un système technique : ═══════════════════════════════════════════ • FRONTIÈRE : Limite entre le système et son environnement • ENTRÉES : Énergie, matière, information reçues • SORTIES : Énergie, matière, information produites • FONCTION : Transformation réalisée (entrées → sorties) • STRUCTURE : Organisation des composants • COMPORTEMENT : Évolution dans le temps
1. Le Cycle de Vie d'un Système
Le cycle de vie représente les différentes étapes par lesquelles passe un système, de sa conception jusqu'à son démantèlement. Cette vision globale est essentielle pour une conception responsable et durable.
Les 6 phases du cycle de vie (norme ISO 15288)
Analyse du besoin, CDCF, études préliminaires, maquettes numériques
Prototypage rapide, essais fonctionnels, validation technique
Industrialisation, fabrication série, contrôle qualité, logistique
Utilisation nominale, formation utilisateurs, support technique
Préventive (planifiée), corrective (pannes), évolutive (mises à jour)
Recyclage (matière), réutilisation (composants), valorisation énergétique
1.1 Exemple industriel : Airbus A350
| Phase | Durée | Activités clés |
|---|---|---|
| Conception | 5-7 ans | Études aérodynamiques, choix matériaux composites (53%), simulation vol |
| Développement | 3-4 ans | Prototypes, essais en vol (2500+ heures), certification EASA |
| Production | Continue | Assemblage final Toulouse, cadence 6 avions/mois (objectif) |
| Exploitation | 25-30 ans | Transport passagers, 18 000 cycles vol prévus |
| Fin de vie | 6-12 mois | Programme PAMELA : 85-95% recyclage visé |
1.2 Le modèle en V
Le modèle en V est une représentation du cycle de développement qui met en évidence la correspondance entre les phases de définition (branche descendante) et les phases de validation (branche ascendante).
MODÈLE EN V
═══════════════════════════════════════════════════════════════
Analyse du besoin ─────────────────────────── Recette (validation finale)
│ ▲
▼ │
Spécifications ───────────────────────── Tests d'intégration
│ ▲
▼ │
Conception générale ──────────────── Tests de validation
│ ▲
▼ │
Conception détaillée ────────────── Tests unitaires
│ ▲
▼ │
└──────────────► RÉALISATION ─────────────────┘
Chaque phase de définition (gauche) correspond à une phase de test (droite)💡 Éco-conception : En STI2D, chaque phase doit intégrer les impacts environnementaux. Par exemple, 80% de l'empreinte carbone d'un produit est déterminée dès la phase de conception ! C'est pourquoi l'Analyse du Cycle de Vie (ACV) doit être réalisée très tôt.
2. Le Cahier des Charges Fonctionnel (CDCF)
Le CDCF est un document contractuel qui exprime le besoin en termes de fonctions à réaliser, sans préjuger des solutions techniques. Il répond à la question : “Quoi ?” et non “Comment ?”.
Pourquoi un CDCF ?
- • Communication : Langue commune entre client et concepteur
- • Traçabilité : Référence tout au long du projet
- • Validation : Base des tests et de la recette finale
- • Créativité : Ne pas brider les solutions possibles
Structure d'un CDCF (norme NF X50-151)
CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL ═══════════════════════════════ 1. Contexte et objectifs └─ Présentation du projet, parties prenantes 2. Expression du besoin (bête à cornes) └─ À qui ? Sur quoi ? Pour quoi ? 3. Environnement du système (pieuvre) └─ Éléments du Milieu Extérieur (EME) 4. Fonctions de service (FS) ├─ Fonctions principales (FP) : raison d'être └─ Fonctions contraintes (FC) : limitations 5. Critères et niveaux d'exigence └─ Pour chaque fonction : critère mesurable + valeur 6. Flexibilité (F0, F1, F2, F3) ├─ F0 : Impératif (non négociable) ├─ F1 : Peu négociable ├─ F2 : Négociable └─ F3 : Très négociable
Exemple : Trottinette électrique
| Fonction | Critère | Niveau | Flexibilité |
|---|---|---|---|
| FP1: Déplacer l'utilisateur | Vitesse max | 25 km/h | F0 (impératif - réglementation) |
| FP2: Offrir une autonomie suffisante | Distance | 30 km ± 5 | F1 (peu négociable) |
| FC1: Respecter les normes | Homologation | EN 17128 | F0 |
| FC2: S'adapter au rangement | Dimensions pliée | < 120×40×50 cm | F2 (négociable) |
| FC3: Supporter la charge | Masse max utilisateur | 100 kg | F1 |
| FC4: Résister aux intempéries | Indice IP | IP54 minimum | F1 |
2.1 Formulation d'une fonction
Règle d'or : Une fonction s'exprime par un verbe à l'infinitif + complément.
✅ Correct
- • “Déplacer l'utilisateur”
- • “Stocker l'énergie électrique”
- • “Résister aux chocs”
❌ Incorrect
- • “Moteur électrique” (solution)
- • “Batterie lithium” (solution)
- • “Cadre aluminium” (solution)
3. Outils d'Analyse Fonctionnelle
3.1 La méthode APTE (diagramme “bête à cornes”)
Elle permet de valider le besoin en répondant à 3 questions fondamentales. C'est la première étape indispensable avant toute analyse fonctionnelle.
- À qui rend-il service ? → L'utilisateur (cycliste, piéton, conducteur...)
- Sur quoi agit-il ? → La matière d'œuvre (l'utilisateur lui-même, un objet, une information...)
- Dans quel but ? → Satisfaire le besoin (se déplacer, communiquer, protéger...)
BÊTE À CORNES - Vélo électrique
═══════════════════════════════════════════════════════════════
À qui rend-il service ? Sur quoi agit-il ?
│ │
▼ ▼
┌────────────┐ ┌────────────────┐
│ UTILISATEUR│ │ L'UTILISATEUR │
│ (cycliste) │ │ (lui-même) │
└────────────┘ └────────────────┘
│ │
└──────────┬───────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────┐
│ VÉLO ÉLECTRIQUE │
└─────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────┐
│ Permettre à l'utilisateur│
│ de se déplacer avec une │
│ assistance électrique │
└─────────────────────────┘
Dans quel but ?3.2 Le diagramme SADT (Structured Analysis and Design Technique)
Le SADT décompose un système en fonctions hiérarchisées, avec des flux d'entrée et de sortie. C'est un outil puissant pour analyser les systèmes complexes de manière descendante.
DIAGRAMME SADT (IDEF0)
═══════════════════════════════════════════════════════════════
Contrôles (C)
Consignes, réglementations
│
▼
Entrées ┌─────────────┐ Sorties
─────────────────→│ FONCTION │─────────────────→
Énergie, matière │ A-0 │ Produit, énergie
information │ │ transformée
└─────────────┘
▲
│
Supports (M)
Moyens techniques, opérateurs
═══════════════════════════════════════════════════════════════
Exemple vélo électrique (A-0 : Déplacer l'utilisateur)
═══════════════════════════════════════════════════════════════
C: Consignes utilisateur, Code de la route
│
▼
E: Énergie élec. ┌─────────────┐ S: Déplacement de
+ effort cycliste │ DÉPLACER │ l'utilisateur
─────────────────→│ L'UTILISATEUR│─────────────────→
│ (A-0) │
└─────────────┘
▲
│
M: Cadre, moteur, batterie, contrôleur, roues3.3 Le diagramme FAST (Function Analysis System Technique)
Le FAST traduit les fonctions de service en solutions techniques en répondant à “Comment ?” (vers la droite) et “Pourquoi ?” (vers la gauche). C'est le pont entre l'analyse fonctionnelle et la conception.
← POURQUOI ? | COMMENT ? →
FP: Déplacer l'utilisateur avec assistance
├── FT1: Fournir l'énergie électrique
├── FT1.1: Stocker l'énergie → Batterie Li-ion 36V 10Ah
└── FT1.2: Gérer la charge/décharge → BMS (Battery Management System)
├── FT2: Convertir l'énergie en mouvement
├── FT2.1: Piloter le moteur → Contrôleur BLDC
└── FT2.2: Générer le couple → Moteur brushless 250W
├── FT3: Transmettre le mouvement à la roue
├── FT3.1: Réduire la vitesse → Réducteur planétaire
└── FT3.2: Coupler le moteur → Courroie/chaîne
└── FT4: Guider et stabiliser le déplacement
├── FT4.1: Assurer la direction → Fourche + potence
└── FT4.2: Supporter les charges → Cadre alu + roues
3.4 Le diagramme pieuvre (interacteurs)
Le diagramme pieuvre représente le système au centre, entouré des éléments du milieu extérieur (EME), avec lesquels il interagit via des fonctions de service.
DIAGRAMME PIEUVRE - Trottinette électrique
═══════════════════════════════════════════════════════════════
UTILISATEUR ENVIRONNEMENT
│ │
│ FP1 │ FC3
│ (déplacer) │ (résister)
▼ ▼
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
SOL─│────FC1 (adhérence)──────── TROTTINETTE ──────FC4────│─NORMES
│ ÉLECTRIQUE │
│ │
└──────────────────────────────────────────────────────┘
│ │
│ FC2 │ FC5
│ (s'alimenter) │ (être portable)
▼ ▼
ÉNERGIE RANGEMENT
ÉLECTRIQUE
Légende :
FP1 : Permettre à l'utilisateur de se déplacer (PRINCIPALE)
FC1 : Adhérer au sol
FC2 : Stocker et utiliser l'énergie électrique
FC3 : Résister aux conditions environnementales
FC4 : Respecter la réglementation (EN 17128)
FC5 : Permettre le rangement et le transport3.5 Introduction au SysML
SysML (Systems Modeling Language) est le langage graphique standard pour modéliser les systèmes complexes. Dérivé d'UML, il est adapté à l'ingénierie système. Il comprend 9 types de diagrammes.
Diagramme des exigences (req)
Exprime les exigences du CDCF sous forme graphique avec liens de traçabilité.
Relations : derive, satisfy, verify, refine
Diagramme des cas d'utilisation (uc)
Définit les acteurs et leurs interactions avec le système.
Acteurs principaux, secondaires, cas d'utilisation
Diagramme de blocs (bdd)
Décrit l'architecture structurelle (composants, relations).
Composition, agrégation, généralisation
Diagramme d'états (stm)
Modélise le comportement dynamique (états, transitions).
États, événements, gardes, actions
Diagramme de bloc interne (ibd)
Montre les flux internes entre parties d'un bloc.
Ports, connecteurs, item flows
Diagramme de séquence (sd)
Décrit les échanges de messages dans le temps.
Lignes de vie, messages, fragments
req [Exigences Trottinette] - Diagramme des exigences SysML
═══════════════════════════════════════════════════════════════
┌─────────────────────────────────┐
│ «requirement» │
│ REQ_001 : Vitesse maximale │
├─────────────────────────────────┤
│ id = "REQ_001" │
│ text = "La vitesse maximale ne │
│ doit pas dépasser 25km/h"│
│ priority = critical │
└─────────────────────────────────┘
│
│ «deriveReqt»
▼
┌─────────────────────────────────┐
│ «requirement» │
│ REQ_001.1 : Puissance moteur │
├─────────────────────────────────┤
│ id = "REQ_001.1" │
│ text = "Le moteur doit être │
│ limité à 250W nominal" │
└─────────────────────────────────┘4. Applications Industrielles
4.1 Secteur automobile : Véhicule électrique
L'ingénierie système est cruciale pour gérer la complexité d'un véhicule moderne comportant :
- • 100+ calculateurs (ECU) communicant via CAN/LIN/Ethernet
- • 150 millions de lignes de code (logiciel embarqué)
- • 30 000 pièces assemblées
- • 5 000+ exigences fonctionnelles et techniques
4.2 Secteur aéronautique : Drone de livraison
| Sous-système | Fonction principale | Exigence clé |
|---|---|---|
| Propulsion | Générer la portance et la poussée | Ratio poussée/poids > 2:1 |
| Navigation | Guider le drone vers sa destination | Précision GPS < 1m RTK |
| Communication | Échanger avec la station sol | Portée > 5 km, latence < 100 ms |
| Énergie | Alimenter tous les sous-systèmes | Autonomie > 30 min charge max |
4.3 Secteur bâtiment : Maison connectée (Smart Home)
Fonction globale : Optimiser le confort et la consommation énergétique du logement.
Décomposition fonctionnelle :
├── Gérer le chauffage/climatisation (régulation T°)
├── Contrôler l'éclairage (présence, luminosité)
├── Sécuriser le logement (intrusion, incendie)
├── Gérer l'énergie (production PV, stockage)
└── Interfacer avec l'utilisateur (appli, vocale)
📌 Résumé
- 1L'ingénierie système structure la conception des systèmes complexes sur tout leur cycle de vie (conception → fin de vie).
- 2Le modèle en V associe chaque phase de définition à une phase de validation correspondante.
- 3Le CDCF exprime le besoin en termes de fonctions (FP, FC) avec critères, niveaux et flexibilité.
- 4Les outils (bête à cornes, pieuvre, SADT, FAST) décomposent et analysent les fonctions du système.
- 5Le SysML est le langage standard pour modéliser graphiquement les systèmes (9 types de diagrammes).
🎯 Mini-Quiz
1. Quelle phase du cycle de vie détermine 80% de l'empreinte carbone d'un produit ?
→ La phase de conception (les choix de matériaux, procédés et architecture)
2. Dans un CDCF, que signifie une flexibilité F0 ?
→ Niveau impératif, non négociable (souvent lié à la sécurité ou la réglementation)
3. Quel outil répond aux questions “À qui ? Sur quoi ? Dans quel but ?”
→ La bête à cornes (méthode APTE) pour valider l'expression du besoin
4. Dans un diagramme FAST, comment se lit-il ?
→ Pourquoi ? vers la gauche, Comment ? vers la droite (des fonctions aux solutions)
5. Quelle est la différence entre une fonction principale (FP) et une fonction contrainte (FC) ?
→ Une FP justifie la création du système (relie 2+ EME), une FC limite la liberté du concepteur (relie 1 EME)
6. Quel diagramme SysML permet de tracer les exigences du cahier des charges ?
→ Le diagramme des exigences (req) avec les relations derive, satisfy, verify, refine
