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1.3 Quelques outils de la sûreté de fonctionnement

1.3.2 Réseaux de fiabilité de Kaufmann

Les réseaux de fiabilité de Kaufmann représentent un outil intéressant pour calculer la

fiabilité des systèmes (Kim, 1972; Misra, 1970). Ils sont utilisés dans l’étude des réseaux

de communication ou de distribution d’énergie (Satyanarayana and Chang, 1983). Cette

représentation graphique constitue un outil de modélisation pour de nombreux problèmes

où les BDF sont peu appropriés. Les réseaux de fiabilité de Kaufmann peuvent être

considérés comme une forme d’extension des BDF. Ainsi, ces réseaux de fiabilité offrent

un moyen simple pour traiter la fiabilité des systèmes. Les réseaux de fiabilité permettent

de représenter la structure et les connexions dans un système sous forme graphique en

exprimant les relations entre les composants.

Un réseau de fiabilité est défini par Kaufmann (Kaufmann et al., 1975) comme un

graphe dirigé noté G = ⟨N,A⟩ composé d’un ensemble de sommets N et un ensemble

d’arcs orientés A. Les sommets de N sont reliés entre eux par des arcs de l’ensemble A

notés (N

i

, N

j

) avec N

i

∈ N et N

j

∈ N. Deux sommets S ∈ N etT ∈ N sont distingués et

appelés respectivement “sommet source” et “sommet terminaison” . S n’ayant que des arcs

sortants etT n’ayant que des arcs entrants.

Un réseau de fiabilité de Kaufmann se différencie d’un BDF par ses arcs orientés.

Dans un réseau de fiabilité de Kaufmann, les arcs représentent les composants du système

étudié et les sommets représentent les connexions entre ces composants. Les arcs de A

sont associés aux composants du système en utilisant une fonction notée ∆. Plusieurs arcs

peuvent correspondre à un même composant et il est possible qu’aucun arc ne corresponde

à un composant donné.

Il est possible d’avoir, entre certains sommets, non pas un arc (au plus), mais deux

ou plusieurs arcs. Le concept correspondant est appelér-graphe où rest le nombre maximal

d’arcs ayant la même extrémité initiale et la même extrémité terminale. Deux sommets

de N peuvent être reliés par s r arcs. Par exemple dans le cas de la redondance, nous

pouvons avoir s composants en parallèle assurant la même fonction. Ceci est traduit dans

unr-graphe par s arcs reliant les deux mêmes sommets. Ainsi, lesr-graphes sont considérés

comme une nouvelle représentation reflétant l’architecture fonctionnelle d’un système. Dans

un r-graphe, chaque arc (N

i

, N

j

) de l’ensemble A est associé à un indice t afin de pouvoir

différencier les r arcs reliant les mêmes sommets Ni et Nj. Les arcs du graphe sont donc

notés (N

i

, N

j

)

t

.

Un exemple de réseau de fiabilité est donné à la Figure 1.10 où les

en-sembles N et A sont : N = {S, T, N

1

, N

2

, N

3

, N

4

, N

5

}, A = {a

1

, a

2

, . . . , a

12

} =

{

(S, N

2

)

1

,(S, N

3

)

1

,(N

3

, N

4

)

1

,(N

3

, N

4

)

2

, . . . ,(N

5

, T)

1

,(N

5

, T)

2

}

.

Figure1.10 – Exemple de réseau de fiabilité de Kaufmann

Dans ce type de représentation graphique, le système et ses composants admettent deux

états binaires : bon fonctionnement/défaillance (cf. H

1

du paragraphe 1.2.1.2). Ainsi, A.

Kaufmann (Kaufmann et al., 1975) a montré qu’un réseau de fiabilité est une représentation

graphique qui caractérise l’état binaire du système en fonction des états binaires de ses

composants. Le bon fonctionnement ou la défaillance du système dépend uniquement de

l’état de ses N composants (cf. H

2

du paragraphe 1.2.1.2) en utilisant une “fonction de

structure” binaire notée ϕ.

L’état de fonctionnement d’un composant c

i

peut être associé à une variable binaire

s

i

où :

s

i

= 1 quand le composant c

i

est en bon fonctionnement ;

s

i

= 0 quand le composant c

i

est défaillant.

L’état de fonctionnement des l composants peut être exprimé par le vecteur des états

binaires des composants S

l

= (s

1

, . . . , s

l

) où s

i

(i = 1, . . . , l) correspond à l’état de

fonctionnement du composant c

i

.

L’état de fonctionnement du système est également associé à une variable binaire notée S.

S est défini par la fonction de structure tel que S =ϕ(S

l

)où :

• S = 1 quand le système est en bon fonctionnement ;

• S = 0 quand le système est défaillant.

Pour un réseau de fiabilité de Kaufmann, 4 configurations d’architecture fonctionnelle

de système sont fournies dans la Figure 1.11. Il s’agit de composants montés en série

(Figure 1.11.a), montés en parallèle (Figure 1.11.b), montés en série-parallèle (Figure 1.11.c)

et montés en parallèle-série (Figure 1.11.d)

Figure1.11 – Exemples de Réseaux de fiabilité de Kaufmann

Pour ces 4 configurations, la fonction de structure S = ϕ(S

h

) = ϕ(s

1

, s

2

, . . . , s

h

) est définie

comme suit :

En série :l composants en série : c

1

, c

2

, . . . , c

h

:

ϕ(S

h

) =s

1

·s

2

·sh =

h

i=1

sh

En parallèle :l composants en parallèle : c

1

, c

2

, . . . , ch :

ϕ(S

h

) = 1(1s

1

)·(1s

2

)·(1s

h

) = 1

h

i=1

(1s

h

)

En série-parallèle :p systèmes en série composés dek éléments c

ij

en parallèle :

ϕ(S

h

) =

k

i=1

(1

p

j=1

(1s

ij

))

En parallèle-série :p systèmes en parallèle composés de k éléments c

ij

en série :

ϕ(S

h

) = 1

k

i=1

(1

p

j=1

sij)

En utilisant la fonction de structure ϕ, l’état de l’expression booléenne est exprimé en

fonction de l’état de fonctionnement des composants du système. Ainsi, la fiabilité de la

propriété structurelle correspondant à cette expression booléenne est exprimée en fonction

de la fiabilité des composants du système.

Avec un tel réseau, il est possible d’énumérer l’ensemble des coupes (minimales) qui

représentent un ensemble de composants dont la défaillance peut provoquer la défaillance

du système et également les chemins de succès (minimaux) correspondant aux composants

dont le bon fonctionnement assure le succès de la mission du système (cf. section 1.3).

Grâce à la fonction injective ∆, les coupes ou les chemins de succès ne s’expriment plus en

fonction des arcs mais en fonction des composants.

Les réseaux de fiabilité de Kaufmann adoptent le même principe de calcul de fiabilité

que celui des BDF. L’avantage qu’ils présentent par rapport aux BDF réside dans le fait

qu’ils sont représentés par des graphes dirigés. Il est donc possible de définir le sens de

l’acheminement du pointS au pointT en fonction de l’architecture fonctionnelle du système

contrairement aux BDF. A titre d’exemple, les réseaux de fiabilité correspondant aux

systèmes complexes de la Figure 1.9 sont beaucoup moins ambigus que les BDF comme le

montre la Figure 1.12 sur un exemple.

Figure1.12 – BDF/Réseaux de fiabilité de Kaufmann d’un système complexe

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