Vous avez peut-être lu récemment que plusieurs constructeurs aéronautiques ont choisi des modules du logiciel de développement de systèmes électriques et électroniques (E/E) Capital™ de Siemens afin d'accélérer le développement de leurs avions commerciaux. Si ces constructeurs sélectionnent Capital, une solution qui fait partie du portefeuille Xcelerator de Siemens, c’est parce qu’il offre une continuité numérique complète et une ouverture qui facilitent son intégration dans leurs services d’ingénierie.

Capital permet de créer un véritable jumeau numérique des systèmes E/E ; ce jumeau est contrôlé par la configuration et s’appuie sur une continuité numérique complète tout au long du développement, de la fabrication et de l’exploitation de ces systèmes. En outre, l’ouverture de l’architecture informatique et les intégrations multidomaines de Capital permettent une connexion facile à l’environnement PLM (Product Lifecycle Management, gestion du cycle de vie des produits) de ces constructeurs. Elles constituent les fondations sur lesquelles leurs équipes de développement internationales s’appuient pour concevoir leurs systèmes E/E et leurs processus de fabrication de harnais électriques.

Avec Capital, les équipes E/E des constructeurs aéronautiques travailleront dans un environnement de conception hautement unifié qui permettra d’accélérer le développement des produits, d’optimiser la fabrication des systèmes électriques, d’améliorer du premier coup la qualité des harnais et de faciliter l’intégration de la supply chain, afin de générer des innovations de conception, des harnais et de la documentation de maintenance optimisés sur le plan architectural. En outre, l’excellent soutien de Siemens ainsi que les ateliers techniques mis en place leur permettront d’accélérer la conception et l’adoption de nouveaux processus. 

Pourquoi ces annonces sont-elles importantes ? Parce que l’industrie aéronautique subit une pression intense pour réduire le coût des programmes et respecter des calendriers serrés tout en continuant de répondre aux nouveaux besoins engendrés par des missions de plus en plus complexes. De leur côté, les exploitants d’aéronefs veulent maximiser le rayon d’action et la charge utile, tout en réduisant au maximum les coûts d’exploitation et de durabilité. L’intégration de fonctionnalités avancées est également importante pour équiper les aéronefs en vue de missions plus variées. C’est pourquoi le développement des programmes ainsi que l’intégration et la certification des plateformes sont devenus de plus en plus complexes. Par exemple, le nombre de systèmes électriques augmente de 25 % tous les 5 ans et la demande en électricité a été multipliée par 10 au cours des 50 dernières années.

Pour résoudre ces problèmes, de nombreux constructeurs se tournent vers les systèmes E/E. Si leur préoccupation principale était auparavant la conception du contenu, sa certification, sa validation et sa vérification sont désormais tout aussi cruciales. Ils ont donc besoin de davantage de personnel possédant des compétences spécialisées, ce qui rend le recrutement de talents particulièrement difficile et augmente encore les coûts. L’exécution des programmes peut nécessiter plus de temps et, si des difficultés surviennent, les approches traditionnelles pour contourner les problèmes sont inefficaces, ce qui entraîne un long travail de reconception, de reprise et de recertification. 

C’est là que la numérisation entre en scène. La possibilité d’utiliser pour le développement de systèmes E/E des processus métier connectés numériquement permet d’adopter une approche basée sur des modèles qui réduit les risques et les coûts et favorise la livraison rapide de systèmes et de fonctionnalités de pointe. Avec une approche du développement basée sur des modèles, les constructeurs peuvent réduire la complexité, diminuer les risques et booster leur productivité globale.

Numérisation et développement de systèmes E/E basés sur des modèles

Comment cela fonctionne-t-il exactement ? Le développement de systèmes basé sur des modèles repose sur un jumeau numérique électromécanique pluridisciplinaire qui relie toutes les étapes du développement de systèmes E/E par une continuité numérique. Ce jumeau numérique est une représentation virtuelle d’un produit ou processus physique, dont il permet de comprendre et prévoir le comportement. Comme il intègre des fonctionnalités de simulation multiphysique, d’analyse de données et d’apprentissage automatique, le jumeau numérique est capable de montrer l’impact des modifications de conception, des scénarios d’utilisation, des conditions environnementales et d’une multitude d’autres facteurs, ce qui évite de devoir construire des prototypes physiques. Il permet donc de réduire le temps de développement et d’améliorer les performances, la qualité et la sécurité des plateformes.

Exécuté correctement, le développement de systèmes basé sur des modèles permet de mieux réutiliser les conceptions existantes, de comprendre les interdépendances et de rationaliser les transferts entre les disciplines, et garantit la traçabilité du processus de conception pour faciliter la certification du produit. Cela se traduit par une réduction du nombre d’erreurs et par des itérations de conception plus rapides, ce qui accélère l’achèvement du programme.

Les piliers de l’innovation

Afin d’améliorer la productivité et l’innovation, Capital aide à réduire les frontières entre la mécanique, l’électronique, l’électricité, les réseaux, les logiciels et la simulation. Grâce à trois grands piliers – systèmes, réseaux et logiciels, et électricité –, il permet de développer des architectures de systèmes E/E en se basant sur des modèles qui garantissent une implantation optimale des fonctionnalités matérielles et logicielles. Capital permet de transformer les modèles de systèmes en produits électriques, électroniques, logiciels et réseau optimisés de bout en bout. En amont, les trois piliers sont liés au cahier des charges de la plateforme et aux modèles de systèmes multidisciplinaires, ce qui garantit l’alignement de l’architecture E/E sur les exigences et les contraintes du système global. En aval, ils fournissent des descriptions exécutables du système E/E en vue de la vérification et de la validation de l’ensemble du système.

Capital offre des outils de gestion des données et processus propres aux différentes disciplines, ainsi qu’une intégration native avec l’outil de gestion de données PLM du portefeuille Xcelerator. Il permet également de mettre en œuvre le système E/E dans le contexte de l’environnement physique de la plateforme, grâce à la coconception mécanique.

À chaque niveau de la hiérarchie du système E/E, Capital aide les responsables de la conception et de l’intégration de l’architecture à comprendre ce que l’on attend d’eux, puis à explorer et optimiser les différentes possibilités d’architecture avant de valider la direction de développement. Ils peuvent facilement partager l’intention de conception avec les équipes de mise en œuvre E/E en décomposant le travail, les exigences et les contraintes pour chaque discipline contributrice, et déterminer – en assemblant, vérifiant et validant une version virtuelle du système E/E – si chaque équipe a bien fourni ce qu’elle devait créer. L’optimisation du système E/E améliore les performances, la sécurité et la fiabilité de la plateforme tout en réduisant son poids et sa consommation d’énergie, et donc le coût du système

Composants-clés du processus d’ingénierie basée sur des modèles

Le processus d’ingénierie basé sur des modèles formalise la transmission des données d’ingénierie entre les différentes disciplines. Parallèlement, l’outil de gestion de données du portefeuille Xcelerator assure la gestion des projets et des processus et constitue la base de la continuité numérique qui relie toutes les étapes du processus de développement de systèmes E/E et les différentes disciplines d’ingénierie qui travaillent en collaboration.

Examinons ce qui se passe au cours des différentes phases du processus d’ingénierie : 

●      Définition du produit : Lors de cette phase, les exigences fonctionnelles, les exigences non fonctionnelles et la complexité associée à la configuration du produit sont capturées et gérées dans un système de PLM (outil du portefeuille Xcelerator). Celui-ci gère la nomenclature et permet la traçabilité à travers toutes les étapes du processus de conception, ainsi que les modèles de système.

●      Simulation et vérification : Une fois qu’ils ont été compris, le cahier des charges et les modèles de systèmes forment la base de la simulation, qui permet de vérifier les performances des systèmes et de valider leur fonctionnement dans le contexte du produit global et de son environnement opérationnel. Comme le nombre de systèmes E/E d’une plateforme ne cesse d’augmenter, ce sont des milliers, voire des millions, de simulations virtuelles qui doivent être réalisées avant l’étape de certification de la plateforme.

●      Conception contextuelle : Le développement des systèmes E/E doit tenir compte de ce qui se passe dans le contexte physique d’une plateforme ; par exemple, comment les fonctionnalités et les dispositifs sont implantés au sein de la plateforme et où ils sont installés et interconnectés. Électriciens et mécaniciens peuvent travailler de façon fluide à la coconception ; les concepteurs de chacune des deux disciplines peuvent accéder nativement aux modèles de l’autre, ce qui permet des vérifications croisées et une collaboration en temps réel entre les environnements de développement mécanique, électrique et électronique. Cela peut se faire directement ou par le biais de l’outil de gestion de données de Xcelerator. Xcelerator dispose également d’un accès direct au jumeau numérique électrique, y compris à la nomenclature électrique, et pilote, gère et coordonne la conception du système E/E dans chaque discipline.

●      Optimisation de l’architecture des systèmes E/E : Il est possible de réduire de façon importante la durée des cycles de conception et d’intégration en aval lorsque les équipes peuvent inventer différentes architectures de systèmes E/E et explorer leur faisabilité avant d’aborder leur conception détaillée. Pour permettre cela, Capital exploite les informations des environnements de systèmes basés sur des modèles, en utilisant des modèles de systèmes pluridisciplinaires et en normalisant leurs données pour créer et optimiser un jumeau numérique de l’architecture fonctionnelle du système E/E. Une fois les modèles créés, ils peuvent être affinés et enrichis avec le contenu E/E nécessaire aux outils d’ingénierie utilisés en aval. 

●      Intégration : Enfin, les différents systèmes sont intégrés pour former la plateforme complète, dans le contexte complet de sa topologie physique. La synthèse automatisée génère en arrière-plan les abstractions physiques, telles que le câblage, ce qui permet aux utilisateurs d’évaluer l’efficacité de l’architecture et de valider la connectivité bien avant la mise en œuvre physique. Il est alors possible d’effectuer des études de dimensionnement et d’arbitrage et d’optimiser l’architecture, en redéployant les fonctionnalités et les signaux selon les besoins et en évaluant dans tous les domaines l’impact de ces choix sur l’architecture E/E tout entière. La transition basée sur les données évite les échanges de fichiers entre les disciplines, et toutes les équipes peuvent être sûres qu’elles travaillent à partir des mêmes données.

Numérisation et développement de systèmes E/E basés sur des modèles

Dans le secteur aéronautique, face à la complexité croissante des missions et à la pression qu’ils subissent pour fournir des fonctionnalités innovantes en un temps record, les ingénieurs en conception et développement ont besoin d’un outil de gestion des processus efficace, d’une traçabilité multidisciplinaire et d’un outil de création de rapports sécurisé pour garantir la conformité. Une approche basée sur des modèles offre la continuité des données indispensable pour relier toutes les phases du cycle de vie des systèmes E/E d’une plateforme, permettant ainsi le partage de l’intention et des informations. Les équipes peuvent explorer l’impact opérationnel des alternatives de conception, de fabrication et de maintenance avant de s’engager dans la fabrication. Elles peuvent ainsi prendre des décisions éclairées sur les compromis d’architecture et de conception, et réaliser l’orchestration fondée sur les données, le développement agile du produit et la vérification fiable qui sont nécessaires pour la réussite du programme.

Auteur : Anthony Nicoli, directeur du pôle aéronautique du département Systèmes électriques intégrés (IES, Integrated Electrical Systems) de Siemens Digital Industries Software. Anthony Nicoli est chargé de renforcer la présence d’IES sur ce marché. Auparavant, Anthony Nicoli dirigeait l’équipe des ventes techniques de Mentor Graphics dédiée à The Boeing Company. Il a rejoint Mentor Graphics en 1999, où il a dirigé l’équipe chargée du marketing de Calibre, la gamme d’outils de vérification physique des circuits intégrés de Mentor, avant de rejoindre l’équipe commerciale de l’entreprise. Il a travaillé pendant près de 20 ans dans le secteur de la défense, développant des systèmes électro-optiques et électroacoustiques et participant à la création d’entreprises produisant ce type de systèmes. Ses principaux domaines de compétence sont les contre-mesures antimissiles tactiques et l’imagerie sous-marine. Anthony Nicoli est titulaire d’un Bachelor of Science et d’un Master of Science en ingénierie électrique du MIT (Massachusetts Institute of Technology) et d’un MBA (Master of Business Administration) de la Northeastern University.