Ressources, contraintes et difficultés dans les pratiques de
conception d'un grand projet scientifique
Témoignage et réflexions sur
l'ingénierie distribuée et la co-conception
Bertrand Nicquevert
1. DESCRIPTION DU PROJET DE DETECTEUR DE PARTICULES ATLAS
Cette section introductive propose une description succincte du « terrain » d'action et d’observation qui fut et demeure le mien depuis 1992. L’on y trouvera quelques éléments d’information nécessaires sur le Cern ainsi que sur le grand projet scientifique sur lequel porte cette contribution, le détecteur de particules ATLAS. Enfin, la position de l’auteur dans ce
terrain sera précisée.
1.1. Le Cern, Laboratoire Européen de Physique des Particules
Le Cern est un grand laboratoire de recherche fondamentale, s'attachant à découvrir les composants ultimes de la matière [2]1. C’est un organisme international ; il comporte 19 états membres européens, contribuant au budget du Cern à proportion de leur PIB, et en relation avec de nombreux états non membres (États-Unis, Russie, Japon, Israël…). Son personnel est constitué de près de 3000 personnes, dont un tiers de physiciens de recherche et d’ingénieurs. Il accueille en permanence près de 2000
personnes en support industriel, et 5000 à 6000 visiteurs, physiciens venus de leur institut pour exploiter les données récoltées par les expériences du Cern.
Le budget du Cern est d’environ 950 MCHF (3 800 MFF), et permet de développer un ensemble d’accélérateurs de particules parmi les plus puissants du monde, et d’accueillir des détecteurs de particules complexes, fruit d’une collaboration internationale.
L’un des fleurons historiques du Cern fut la chambre à bulles Gargamelle, qui a permis de découvrir les « courants neutres » en 1973 (pour plus de détails, voir [2] pp. 68-69). Par la suite, les détecteurs du SPS (Super Synchrotron à protons) ont mis en évidence l’existence des particules porteuses de la force faible (liée à la radioactivité), ce qui a permis son unification avec la force électromagnétique, et valu un prix Nobel à C. Rubbia et S. Van der Meer ([2] pp. 74-75).
Le dernier des accélérateurs en date, inauguré en 1989, est le LEP (Large Electron Positron) ; c’est un collisionneur d’électrons/positrons de 27 km de circonférence ([2] pp. 80-83), enterré à plusieurs dizaines de mètres, et permettant d’atteindre à cette époque une énergie de 100 GeV (giga-électron-volt) au centre de masse. Grâce à la mise en place de cavités radiofréquences supraconductrices, l’énergie au centre de masse est maintenant supérieure à 200 GeV. Il aura cessé de fonctionner à la fin de l’année 2000.
Le complexe expérimental du LEP comprend quatre détecteurs, qui ont pour but d’enregistrer le comportement des particules résultant de la collision. Ils utilisent entre autres les techniques de chambre multifils développées par G. Charpak et ont permis de confirmer les hypothèses du Modèle Standard décrivant le monde sub-nucléaire, et de prouver qu'il n'existe que trois familles de particules.
D’autres expériences ont également défrayé la chronique, comme la création d’atomes d’anti-hydrogène en janvier 1996 ; elle démontre à la fois la grande complexité des dispositifs expérimentaux, et le caractère fondamental des recherches menées.
Les retombées technologiques sont très nombreuses, et profitent aux industries dans le cadre de transferts de technologie. Les domaines principaux de retombées sont la supraconductivité (développée pour obtenir des aimants au champ de plusieurs teslas, soit quelques centaines de milliers de fois plus élevés que le champ magnétique terrestre), l’ultravide (on ne construit pas impunément un tube à vide de 27 km de long, et le vide atteint y est comparable à celui de la Lune), ou
l’électronique d’acquisition (les débits attendus pour la prochaine génération équivaudront à dix fois le trafic actuel de l’ensemble des conversations téléphoniques mondiales). Mais la plus populaire des retombées est sans doute le développement du World Wide Web, technologie hybride associant l’hypertexte à Internet, et dont l’essor fulgurant est bien connu ; il convient de ne pas oublier que le Web est né au Cern en 1990, pour répondre aux besoins de la communauté de physique des hautes énergies…
La prochaine génération d’expériences sera installée dans un collisionneur protons/protons, le LHC (Large Hadron Collider, Grand Collisionneur de Hadrons), installé dans le tunnel du LEP. L’énergie au centre de masse atteindra 14 TeV (téra-électron-volts), soit 60 fois plus que la génération actuelle. C’est à cette génération qu'appartiendra le détecteur atlas, que nous allons décrire plus en détails.
1.2. L’expérience ATLAS
Placée autour d'un point d’interaction entre les paquets de protons du LHC, l’expérience ATLAS aura pour tâche de découvrir le boson de
Higgs, soupçonné par les physiciens d’être à l’origine de la masse (pourquoi les particules ont-elles une masse ? Pourquoi y a-t-il davantage de matière que d’antimatière ?)
1.2.1. Architecture des détecteurs
L’architecture des détecteurs se rapproche des poupées gigogne russes (voir Figure 1) :
1. Le tube à vide, placé le long de l’axe de l’expérience, permet aux particules d’atteindre sans encombre le point d’interaction, et de permettre les collisions toutes les 25 nanosecondes (soit à une fréquence de 40 MHz). Il est, dans sa partie centrale, en béryllium (métal très transparent aux particules, grâce à son numéro atomique égal à 4 seulement).
2. Autour du point d’interaction, le détecteur interne (7 m de long, 2.3 m de diamètre) permet de reconstituer la trajectoire de toutes les particules issues de la collision. Les précisions recherchées sont élevées (quelques microns), et les détecteurs doivent être aussi transparents aux particules que possible, d’où le recours à des structures en composites de haute stabilité [3].
Figure 1 : Configuration simplifiée du détecteur ATLAS
3. C’est un solénoïde supraconducteur qui crée le champ magnétique de 2 teslas, nécessaire pour incurver la trajectoire des particules dans le détecteur interne.
4. La couche suivante est constituée des calorimètres, qui mesurent l’énergie des particules. Le calorimètre électromagnétique, placé dans des cryostats à argon liquide, absorbe les photons et les électrons. Le calorimètre hadronique à tuiles (5 m de rayon) absorbe protons et neutrons ; il est a contrario très absorbant (plusieurs centaines de tonnes d’acier entrelardées de détecteurs et photomultiplicateurs).
5. Le reste constitue le spectromètre à muons : un ensemble de plus de 1500 chambres, contenant quelques milliers de kilomètres de tubes emplis d'un gaz ionisé par le passage des seules particules ayant traversé vaillamment les couches précédentes. Ce sont les muons, de sortes d’électrons très massifs, dont la trajectoire est courbée par le solénoïde et les trois toroïdes, aimants créant un champ magnétique en forme de tore, supraconducteurs à hélium liquide, jamais encore réalisés à de telles dimensions.
6. Il faut ajouter à tout cela de nombreuses structures support (en acier amagnétique afin de ne pas perturber ni subir les effets du champ
magnétique), les quantités de services (câbles, tuyaux de gaz, tubes de refroidissement, amenées cryogéniques…), les blindages…
Le poids total d’ATLAS sera de l’ordre de dix mille tonnes, pour une
longueur de 50 m (les bobines centrales sont longues de 25 m) et un diamètre de 24 m (un immeuble de huit étages…).
1.2.2. Complexité et défis techniques
Compte tenu des densités d’énergie et des technologies mises en œuvre, l’accroissement de complexité (technique, mais aussi organisationnelle et politique, comme nous le verrons plus loin) est considérable par rapport à la génération précédente du LEP :
• les dimensions linéaires sont doublées, et le volume quasi décuplé ;
• les précisions en terme de stabilité dimensionnelle sont de l’ordre de quelques microns à quelques dizaines de microns, sur des espaces de plusieurs dizaines de mètres cubes ;
• il est fait recours à des technologies avancées :
- au niveau mécanique : des cryostats à argon liquide à une température de 85 K en aluminium 5083, ou des structures porteuses en acier inoxydable amagnétique de plusieurs dizaines de tonnes ; - technologique : 25 aimants supraconducteurs, dont un solénoïde et
trois ensembles toroïdaux, refroidis à l’hélium liquide à 4.5 K ;
- électronique : composants permettant de faire face à un milieu assez hostile (champs magnétiques, niveaux de radiation particulaire…) ;
• des contraintes de sécurité, d’accessibilité et de maintenabilité s'y ajoutent, dues entre autres au fait que le détecteur sera installé dans une caverne située à 100 mètres sous le niveau du sol.
1.3. Posture de l’auteur
L’auteur de ces lignes est agrégé de mécanique, détaché au Cern, où il anime depuis plusieurs années un bureau d’études de mécanique. Ce bureau est chargé de la conception d’éléments de détecteurs dans le domaine de la mécanique « lourde de précision ». Il participe activement aux tâches d’intégration et aux activités de la coordination technique de l’expérience ATLAS ; l’auteur est depuis 1994 en charge de l’intégration
mécanique de toute l’expérience.
Cet article est le reflet partiel et partial, et incomplet et provisoire -d’une activité métafonctionnelle, qui consiste à s'asseoir pour se regarder marcher. La démarche qui le sous-tend est celle de la recherche/action :
analyser l’action sociotechnique que l’on mène, en appliquant des méthodes et concepts développés dans le cadre sociologique (Introduction à [10]). Cette démarche n'en est qu'à ses débuts encore, et gagnera à être étayée, élargie, approfondie, corrigée dans les prochains temps, et je sollicite la bienveillance du lecteur à ce stade d’avancement.
2. CONTEXTE ORGANISATIONNEL DE LA DEMARCHE DE CONCEPTION Du point de vue politique et humain, la réalisation d'un complexe expérimental tel qu'ATLAS ne peut être assumée par un seul organisme. Il
y a donc nécessité à créer une collaboration d’instituts, permettant une mise en commun des moyens techniques, humains et financiers. La collaboration ATLAS comporte ainsi :
• un nombre de laboratoires et d’instituts supérieur à 140,
• originaires de 28 nationalités différentes, et donc de cultures et d’histoires très variées,
• représentant plus de 1500 physiciens et ingénieurs, et un nombre au moins équivalent de techniciens, projeteurs, personnels d’administration…
Ces personnes utilisent des langues évidemment très différentes ; l’anglais est le standard de facto, mais c’est un anglais parfois un peu appauvri, pratiqué entre non-anglophones, ce qui entraîne fatalement une baisse de la qualité de communication (malentendus, manques de nuances, etc…). Elles ont en outre des cultures techniques différentes.
2.1. ATLAS : « un grand projet, mais scientifique »
Je propose d’appliquer au projet ATLAS la typologie de structures de
projets proposée par P. Leclair [6]. Nous en conclurons qu'ATLAS
correspond à l’idéal-type « grand projet », que nous nuancerons : un grand projet, mais scientifique.
Les quatre variables structurantes sur lesquelles reposent cette typologie sont :
1. la situation du projet dans le temps et son déroulement ; 2. la place relative du développement et de l’exploitation ; 3. le poids du contrôle extérieur dans le pilotage (procédure) ; 4. le rapports projets/métiers.
Examinons une à une ces quatre variables structurantes dans le cas du projet ATLAS.
1. Situation du projet dans le temps et déroulement : la durée d'un tel projet est élevée. Les premiers avant-projets ont germé dans la tête des physiciens à la fin des années 80. La phase de conception doit durer jusqu'à la fin des années 90. La fabrication et l’installation dans la caverne expérimentale s'étendra jusqu'en 2005, date prévue de début de fonctionnement. L’exploitation, entrecoupée de phases de développement, devrait ensuite durer une quinzaine d’années. Le démantèlement interviendra donc dans les années 2020. La durée totale d’une telle collaboration est donc supérieure à trente ans - une carrière entière ! Il est impossible d’envisager que l’équipe projet reste homogène, sur de telles durées, ne serait-ce que pour des raisons démographiques. Le pilotage du projet, c’est-à-dire les décisions de passage d’une phase à la suivante, se font en dérive très douce. En effet, les systèmes (les sous-détecteurs) sont organisés relativement indépendamment les uns des autres, et mêlent financement propre des instituts, contributions en nature, et recours aux fonds communs, gérés par le management du projet. Il n'y a pas de donneur d’ordre central, le pouvoir du chef de projet est plus nuancé, et la relation entre le Cern et les instituts de la collaboration n'est pas du type client/fournisseur. Chaque décision doit donc rechercher le consensus, avec prégnance des critères de performances et de coût.
2. Place relative du développement et de l’exploitation : la difficulté particulière des détecteurs de particules tient à ce qu'il n'existe pas de « client » univoque et identifiable. Car le physicien, futur exploitant du détecteur, est aussi le concepteur de l’architecture, et l’acteur principal des activités de développement. Nous verrons à quel point cette confusion des rôles pose problème pour l’ingénieur et les activités d'ingénierie. 3. Poids du contrôle extérieur dans le pilotage : de nombreuses procédures entourent l’organisation de projet, comme la mise en place de plans d’assurance qualité, contenant entre autres des « Product Breakdown Structures » ([4], [5]). L’avancement du projet dans le temps fait l’objet de procédures de suivis de jalons. Une analyse plus fine de la mise en application de ces procédures montrerait un écart notoire, comme souvent, entre les illusions des normalisateurs et les applications concrètes et quotidiennes des procédures mises en place. Nous verrons plus loin l’exemple de l’Engineering Change Request.
Le projet lui-même est contrôlé par un comité extérieur, couvrant toutes les expériences ainsi que l’accélérateur : c’est le LHCC, le Large Hadron
Collider Committee. Ce comité est assez éloigné de la réalité du terrain technique, et très soumis, tout comme le management du projet, à la nécessité de nombreux ajustements interpersonnels entre chefs de projets, mais aussi à des aspects proprement géopolitiques : détermination de l’affectation des contrats en nature, c’est-à-dire fournis directement par les pays dans le cadre du fonds commun ; mais aussi prise en compte des sensibilités entre pays au niveau diplomatique (les interlocuteurs du LHCC dans chaque pays sont au niveau des cabinets ministériels).
La principale contrainte extérieure imposée au projet est le coût : le plafond est fixé à 475 MCHF de matériel (les coûts de la main d’œuvre des acteurs projets ne sont en général pas pris en compte). Il est évident que les performances de détection attendues font l’objet d’analyses très fines par les physiciens qui composent, pour la grande majorité, le LHCC. 4. Le rapports projets/métiers : on assiste très fréquemment, pour de nombreux acteurs du projet, à une superposition des fonctions projets et métier. Si je prends mon exemple, assez symptomatique, je suis tout à la fois (et non sans difficultés) responsable d'un bureau d’études de mécaniques ; ingénieur-projet d’une structure support, ainsi que d'un blindage et de l’intégration locale (voir paragraphe 3.2. page 6) ; et ingénieur en charge de l’intégration mécanique globale (voir paragraphe 3.3. page 9). On assiste donc à un cumul d’une activité métier, d’une ou plusieurs activités projet de conception, et d’une activité projet de coordination.
Par ailleurs, la place de l’ingénieur en tant qu'acteur métier s'oppose parfois au tout-puissant et omniscient physicien. Celui-ci cherche à innover pour atteindre des domaines de physique, de précision, d’énergie jamais atteints (c’est l’objet d’une recherche fondamentale), dans une dynamique d’augmentation d’entropie ; l’ingénieur veut être en mesure de réaliser ces rêves de physicien, et ce faisant, tend à limiter l’entropie du système pour rester en deçà de l’infaisable. S'instaure alors entre les deux une tension dialectique entre le physicien qui ne cesse de vouloir innover, à tous les endroits et à tous les stades du projet, et l’ingénieur ennemi de ces dérives, qui tente d’imposer que l’on puisse avant tout construire le détecteur, quand bien même il comporterait des imperfections. Tension essentielle entre le rêve et la réalité, qui se transforme parfois en une lutte entre objectif de perfection et principe de réalité.
La configuration de ces quatre variables structurantes rappelle celle de l’idéal type « grand projet » : intégration des activités métier et projet (variable 4) avec des entreprises contractantes coopérant au projet qui
sont parfois très sophistiquées et spécialisées ; pilotage en dérive comportant une dimension politique (variable 1), dans un contexte de contrôle externe contraignant (variable 3). En revanche, le client et futur exploitant n'est pas clairement identifié (variable 2) dans la mesure où il est un acteur clé du processus de conception, compte tenu de la nature du détecteur comme instrument de mesure scientifique, à haute teneur d’innovation. C’est en cela que nous définirons ATLAS comme un grand
projet mais scientifique.
Il faut noter que des structures originales de gestion de projet ont été imaginées pour tenter de surmonter les difficultés inhérentes à de telles entreprises. Nous avons cité l’existence de ces fonds communs, qui permettent d’assurer le financement des éléments dépassant la capacité budgétaire de chacun des instituts. Il faudrait expliciter la structure originale (quoique, selon moi, peu efficace) de désignation des chefs de projet. Quand la démocratie devient la règle, que les mandats se font électifs et restreints dans la durée, la prééminence du diplomatique sur l’efficace guette, et les structures de décision se font lourdes et lentes. Ces passionnants aspects liés à la gouvernance du projet dépassent le cadre de ces quelques pages.
3. L’INGENIERIE DISTRIBUEE DANS UN GRAND PROJET SCIENTIFIQUE L’ingénierie qui se met en place dans les coulisses d'un projet tel qu'ATLAS est complexe dans son organisation comme dans sa tâche
technique. Nous la qualifions de distribuée : elle l’est dans l’espace (nombreuses équipes, réparties dans le monde entier) ; elle est dans les disciplines : physique, mécanique, électronique, informatique, cryogénique, thermique… Et elle l’est encore dans le temps : chaque système vit à son propre rythme, et on assiste à un décalage, voire une désynchronisation entre le système en cours de conception préliminaire, et le système en cours de fabrication, le second imposant clairement un ensemble de contraintes de fait sur le premier.
Nous préférons le qualificatif d'ingénierie distribuée à celui d'ingénierie concourante, en ce que celle-ci se veut prendre en compte dès les premières phases du projet l’ensemble des cycles de vie du produit. Ce n'est pas toujours le cas dans un grand projet scientifique, en raison de l’asynchronie évoquée ci-dessus, et qui en outre bute sur la phase de contractualisation de la production, et en tout premier lieu des appels d’offre : la conception est alors très artificiellement découplée des problématiques de production. On a souvent vu des entreprises associées aux activités de développement, qui étaient par la suite écartée au profit
d’entreprises plus offrantes et qui, en définitive, se révèlent techniquement incompétentes.
Il nous paraît nécessaire, à titre liminaire, de distinguer activités de conception (liées à la conception et à la production d’éléments de détecteurs) des activités de coordination (qui visent à assurer la compatibilité des éléments entre eux, et la réalisation de fonctions globales telles que services, accès et maintenance, sécurité…). Nous verrons par la suite qu’une procédure de conception complète ne peut faire l’économie d’une interaction forte et étroite avec la coordination, qui en retour ne peut ignorer les détails de la conception. Ces deux types d’activités sont indissociables. (En réalité, les faits me poussent à ironiser : ils devraient l’être. Mais l’autisme de certaines équipes de conception prévaut parfois sur l’intérêt général…)
Services Chambre Alignement Chambre précision Structure de la roue Moyeu Disque Rail support Plug Vue de côté Axe du faisceau Axe du faisceau déclenchement
3.1. Pratiques de conception
La culture technique dominante est du type « artisanale », au sens où les procédures de conception ne sont pas formalisées. Ce qui, au demeurant, n'est guère étonnant puisque, en dépit ou à cause de sa taille, chaque détecteur n'est produit qu'à un seul exemplaire. C’est donc une culture du
prototype qui prévaut largement. Elle offre une extraordinaire souplesse,
avec un état d’esprit innovateur élevé.
À l’inverse, toute procédure de gestion de projet ou a fortiori d’assurance qualité, est délicate à introduire : il faut parvenir à convaincre de sa nécessité, dans un contexte de moyens en diminution. Or, la recherche de rentabilité n’a pas toujours fait partie du contexte de la recherche fondamentale, et les méthodes de gestion de projet issues des industries de production (même aéronautiques) sont aux antipodes de la culture de pionnier du physicien des particules. Manager leurs rêves, c’est une activité de cauchemar…
3.2. Ingénierie concourante et activités de conception
Dans le contexte de collaboration internationale brièvement décrit précédemment, les problèmes pour le mécanicien sont liés à la fois aux outils et aux pratiques de conception.
Nous prendrons comme fil conducteur l’exemple d'un élément de blindage, le « shielding disc » (voir figure 1). Cet ensemble est tout à fait révélateur de la complexité sociotechnique d'un élément pourtant simple en apparence : un disque en acier. Cette complexité a été illustrée dans le chapitre de [10] qui lui est entièrement consacré2.
L’esquisse reproduite dans la figure 2 est destinée à expliciter les différentes fonctions du disque. On y voit le disque, dont la fonction est double : supporter des chambres à muons, détecteurs de physique ; et les protéger des rayonnements environnants afin de ne pas brouiller leur capacité de détection. La figure 3 donne de cette esquisse une version aboutie, qui a été beaucoup utilisée pour présenter l’ensemble de la zone et unifier la terminologie employée entre tous les acteurs.
Il est fascinant de constater la variété des points de vue et de représentations sur cet objet technique. La place nous manque ici pour illustrer par une image chacun de ces points de vue ; citons-en cependant quelques-uns.
2 « La complexité sociotechnique. le cas de la re-conception d’une paroi de blindage », pp. 19-32. On y
Le physicien le verra comme un élément permettant d’abaisser le niveau des radiations au niveau de ses chambres à muons ; il le représentera, dans son logiciel de simulation par Monte Carlo d’événements de particules, comme un volume géométrique simplifié, empli d'un matériau auquel il attribuera une propriété, la longueur de radiation. Et il reportera ce volume sur une carte en couleurs représentant les niveaux de radiations atteints dans le détecteur.
Figure 3 : Perspective CAO de la zone Z4
Pour l’y aider, l’ingénieur projet établira une revue des masses et des matériaux, et discutera avec le physicien des radiations du choix de la nature exacte des matériaux, en fonction de leurs autres propriétés : tenue mécanique, propriétés magnétiques, usinabilité, risques… Ces documents serviront alors d’objets intermédiaires entre ces deux acteurs de la conception, afin de laisser place à la tractation : ce sont des véritables zones d’échange, les trading zones introduites par Peter Galison3, entre les différents acteurs métiers et projet.
Interviendra également dans le processus de conception le magnéticien, qui simule le champ magnétique dans l’ensemble de l’expérience. Il verra alors le blindage comme un disque en acier de perméabilité élevée, et il
en simulera une tranche pour déterminer sa contribution à la fermeture du champ solénoïdal créé par la bobine entourant le point d’interaction (voir figure 1). La simulation du comportement mécanique, par exemple par un calcul par éléments finis, sera mise à contribution pour établir la géométrie finale des pieds, ou souligner la nécessité d’ajouter un étai (au centre de la figure 3).
Un autre exemple de trading zone, fort complexe et passionnant, est celui de la mise en position des chambres et de leur interaction avec le système d’alignement. Ce dernier est constitué de barres en fibre de carbone (en raison de leur stabilité dimensionnelle) sur lesquelles sont fixées des caméras LCD et des sources laser qui visent des cibles placées sur les chambres. Le réseau géométrique de référence ainsi constitué permet de déterminer avec une redoutable précision (environ 20 µm) la position relative de toutes les chambres dans le plan, mais également par rapport aux autres plans de chambres placées dans les autres régions du détecteur. Les discussions, très techniques, ont nécessité une compréhension mutuelle, entre ingénieurs en charge des supports, et physiciens concevant le système d’alignement, des contraintes des uns et des desiderata des autres. Dans ce réseau complexe de contraintes multiples (auxquelles s’ajoutent les contraintes d’intégration), il s’est agi de faire émerger une solution simultanée à tous les problèmes posés.
Il nous faut écarter bien d’autres représentations encore : l’enveloppe, espace géométrique attribué dans la caverne de l’expérience (nous y reviendrons plus tard) ; les dimensions d’encombrement, la position des points d’attache et la masse totale sont les données exploitées par le projeteur en charge du transport et de la descente dans le puits ; sans parler des plans de fabrication, qui représentent le disque aux yeux des industriels appelés à se prononcer sur la faisabilité et l’estimation des coûts de production…
Le dernier ensemble de représentations de l’objet disque de blindage participe de l’organisation de projet. L’épine dorsale en est le Product Breakdown Structure, l’arborescence produit, c’est-à-dire le découpage en sous-ensembles et en composants. À partir de cette PBS sont élaborés (voir [4] et [5]) des découpages de tâches, et attribuées les responsabilités. L’estimation des coûts s’effectue selon le découpage induit par la PBS. Le coordinateur des ressources, le grand argentier de la collaboration, représente le blindage par une ligne budgétaire dans la colonne des dépenses (qui n'est autre que la somme de l’estimation des coûts), et par une case dans la liste des objets susceptibles d’être soumis à une procédure de contribution en nature par les pays membres de la
collaboration. L’ingénieur projet élabore son planning d’ordonnancement des tâches, qui est ensuite synchronisé avec le planning global de tout le détecteur. En principe, ce planning est consolidé en fonction de la disponibilité des ressources humaines (durée de chaque tâche en fonction du nombre de personnes qui lui sont affectées) et financières (profil des dépenses). À ce stade, il y a longtemps que la réalité de mise en application sur le terrain a divergé avec le contenu des procédures définies dans le plan d’assurance qualité…
Comment se traitent toutes les questions techniques et organisationnelles, comment se construit la convergence de ces multi représentations ? Comment s’élabore la confiance mutuelle ? Quel est le cadre de discussion qui, derrière les représentations, permet l’articulation des différents métiers et la synchronisation des actions ? Il ne nous est ici possible que d’ébaucher des éléments de réflexion, qui devront être formalisés selon des critères sociologiques plus fins.
Donnons déjà une idée de la distribution géographique des acteurs évoqués : le physicien simulant les radiations travaille à Tucson, Arizona ; le magnéticien est de Dubna, au nord de Moscou ; le physicien en charge de l’alignement est de Boston, les équipements optiques proviennent pour partie de Munich ; l’ingénieur des chambres à muons MDT est de Seattle, les chambres CSC sont développées à Brookhaven, près de New York, et les chambres TGC près de Tel Aviv en Israël. La conception du disque est réalisée au Cern, ainsi que l’intégration générale de la zone.
Les canaux de communication formels et informels sont multiples. L’outil privilégié d’échange des données est l’Internet. Il ne faut pas oublier que le World Wide Web a été précisément inventé au Cern, pour satisfaire aux besoins de la communauté de physique des hautes énergies [18]. Régulièrement (environ tous les trois mois), les acteurs du projet se retrouvent physiquement pendant deux à trois jours, et procèdent à une analyse des progrès respectifs des équipes dans la résolution des problèmes d’intégration rencontrés. La problématique de visualisation des solutions proposées dans la diversité des disciplines et des outils est évoquée dans [11], et dénote la timide émergence de la maquette virtuelle, qui ne parvient pas encore, cependant, à détrôner le tirage sur transparent de la visualisation CAO en deux ou trois dimensions. On a pu déceler une tension entre la nécessité de geler à certains moments l’évolution des modèles, et l’exigence de flexibilité et d’évolutivité, ainsi que d’inscription sur les objets au cours de leur manipulation collective (ce que P. Lécaille appelle la raison grapho-numérique).
L’élaboration et la circulation des objets intermédiaires, de ces multiples représentations d'un même objet, et de leur convocation dans les processus de conception et de négociation, est très complexe. Le souci majeur est d’assurer la compatibilité des représentations multiples, et leur adéquation avec les objectifs du projet : réaliser un disque de blindage remplissant les fonctions demandées (explicites et implicites) au moindre coût ; mais cette compatibilité doit aussi se réaliser dans le respect des contraintes de chaque acteur, lesquels évoluent dans des contextes organisationnels et personnels très différents.
L’ingénierie distribuée dans le cadre d'un processus de conception s’effectue ici dans un cadre très éclaté et complexe, et l’on constate que la dimension de concertation, d’élaboration et de coordination revêt une importance centrale dans le processus de conception lui-même.
3.3. Ingénierie concourante et activités de coordination
À un niveau supérieur du système, il faut voir la structure organisationnelle du projet davantage comme une fédération de projets, dont le disque de blindage n'est qu’un sous-projet. C’est la coordination technique qui est chargée du point de vue technique de fédérer ces projets, et d’assurer leur mutuelle compatibilité (mécanique, géométrique, en terme d’accessibilité et de services, de mutuelle perturbation thermique, magnétique, vibratoire…)
Nous allons maintenant présenter quelques éléments de réflexion sur la place de l'ingénierie concourante dans ces activités de coordination. Je voudrais placer ces éléments de réflexion dans l’axe de la problématique des « outils dans l’action », chère aux Grenoblois (voir l’article d’Éric Blanco dans ce recueil). Il s’agira en l’occurrence d'un outil d’intégration et d'ingénierie distribuée. C’est pourquoi je présente brièvement une démarche de gestion d'un problème de coordination, celui de l’espace, et je rapporte l’usage qui en est fait, ainsi que quelques difficultés rencontrées en pratique.
3.3.1. Gérer les espaces : les enveloppes
La mission qui m'a été confiée fin 1994 consistait à assurer l’intégration géométrique de l’expérience. De quoi s’agit-il ? Il me faudra des mois (des années peut-être) pour le comprendre : quel contexte, quelles contraintes, quels moyens, quel temps ? Autant de questions auxquelles il me revenait (sans que je le sache au départ) d’élaborer des éléments de réponse…
Osons une définition synthétique : intégrer une expérience (du point de vue géométrique), c’est attribuer à chaque système ou sous-système une portion d’espace suffisante et compatible avec les autres et avec les besoins globaux ; et vérifier que cette enveloppe est respectée par les acteurs de la conception, et dans toutes les phases du cycle du système (installation, exploitation, maintenance…)
Une longue réflexion m'avait alors conduit à proposer une définition des enveloppes, qui était synthétisée par le schéma donné en figure 4. Il s’agit en quelque sorte de la généralisation du concept de maximum de matière à l’ensemble d’une pièce, et non pas simplement limité à deux surfaces en contact.
Figure 4 : Définition d’une enveloppe
Il n'existe pas à notre connaissance dans la littérature de mécanique de présentation analogue de ce concept, ce qui peut s’expliquer par les contraintes particulières dans lesquelles s’effectue la conception des détecteurs de particules ; on retiendra en première analyse les redoutables précisions et stabilités requises ; le fait que ces précisions doivent être absolues, et non pas seulement relatives ; le fait que les espaces entre enveloppes, les « clearances », sont parfois minuscules, voire étiques par rapport aux jeux de fabrication et de fonctionnement ; et l’impossibilité
de recourir à l’appairage des pièce, compte tenu de l’aysnchronie entre systèmes, et des contraintes de séquencement des tâches : le temps nécessaire pour obtenir la dernière pièce nécessite de la lancer en production avant que la première soit elle-même produite et installée, ce qui ne permet pas de prendre en compte les dimensions effectives de la première dans la réalisation de la dernière.
La place me manque ici pour développer le contexte de mise en place de ce concept d’enveloppe. Le public visé était double : les ingénieurs et projeteurs, auxquels il s’agissait d’attribuer un espace de travail et des interfaces, ce qui est fondamental dans un cadre d'ingénierie distribuée ; et les physiciens, qui devaient pouvoir comprendre sans trop de difficultés les concepts de tolérancement implicites à la démarche. En définitive, il s’est révélé que le public technique était presque aussi peu réceptif que les physiciens aux concepts géométriques développés… Et que lesdits physiciens (tout au moins certains d’entre eux) sont restés pour le moins réticents à la nécessité même d’attribuer un espace à tout système…
3.3.2. L’outil en action
Les exemples abondent dans mes archives. Je choisis ici d’exposer, encore que très succinctement, celui de la détermination des positions et dimensions des lattes de l’aimant toroïdal central. Il en existe en effet une description complémentaire effectuée par P. Lécaille [11]. J'en donne ici une version volontairement très simplifiée.
Dans une démarche de vérification du respect des enveloppes et de leur compatibilité, nous avons été amenés à nous intéresser, le projeteur en charge et moi-même, à l’intégration des chambres à muons insérées entre ces lattes. Les dimensions nominales étaient selon les apparences compatibles : les jeux résiduels étaient de quelques dizaines de millimètres. La figure 5 donne une vue d’ensemble de cette région.
Mais à ce stade, n’étaient pris en compte aucuns des jeux nécessaires : tolérances de fabrication et d’assemblage, mouvements au cours de l’utilisation, incertitudes de mise en position des chambres… La réalité conduisait à des conflits potentiels si ces jeux ne se compensaient pas. Or, le risque à gérer de conflit dans cette région doit être réduit à zéro, car aucune modification n'est possible sur l’aimant une fois monté : partir de l’hypothèse optimiste de jeux se compensant pour définir les dimensions des chambres à muons serait suicidaire pour les chambres.
Nous avons donc établi des enveloppes intégrant toutes ces tolérances, en se basant sur les plans de fabrication (quand ils existaient), les résultats
des calculs de déformation (quand ils existaient), ou des évaluations approximatives après discussions avec les différents ingénieurs en charge. Cette démarche assez systématique a permis de diminuer le risque d’oubli, et d’augmenter les chances de ne pas être contestés.
Figure 5 : Vue d’ensemble de l’intégration lattes et chambres avant modification.
Au cours de la réunion de concertation en janvier 2000 entre les représentants de l’aimant, des chambres à muons, de l’alignement, des pieds supports et de la Coordination Technique, à l’instigation du coordinateur technique lui-même et en présence du chef du projet aimants, ces chiffres ont été présentés, étayés par de nombreux dessins. Le conflit potentiel a ainsi pu être perçu par les acteurs en présence, qui l’ignoraient ou le réfutaient. La discussion a pu alors être poursuivie en remplaçant les dimensions nominales par les dimensions enveloppes. Cette discussion a nécessité plusieurs réunions même après que les enveloppes eurent été adoptées comme outil d’aide à la résolution du problème. Les hypothèses et chiffres retenus pour l’établissement des enveloppes, sur les concessions possibles dans le cadre des contraintes
techniques et organisationnelles, et sur les différentes options possibles ont été l’objet d’âpres discussions entre les différents acteurs. En définitive, certaines chambres à muons ont été réduites pour augmenter le jeu total disponible, et les lattes ont dû être déplacées pour équilibrer ces jeux.
Sur cet exemple simple (et simplifié encore pour mon propos) de tolérancement unidimensionnel, on voit l’élaboration complexe des enveloppes, la difficulté de l’imposer dans le principe, de l’étayer convenablement sur les données disponibles, et de la convoquer dans la recherche de solutions acceptables. Le processus de coordination et de négociation ne peut pas faire fi des contraintes de chacun, mais permet en principe d’attribuer à chacun un espace dont il est seul détenteur sans souci de remise en question. Les évolutions de conception des systèmes conduisent parfois, au travers de ces procédures d’Engineering Change Request (au demeurant encore peu utilisées) à la renégociation complète de ces véritables « frontières internationales » que constituent ces enveloppes.
3.3.3. Importance et difficultés de la gestion de l’espace
Pour la Coordination Technique, la gestion des enveloppes constitue une activité essentielle. Garantir la compatibilité des systèmes est en effet l’une de ses missions principales. Il est nécessaire que chaque système connaisse l’espace qui lui est attribué, et que la Coordination Technique veille au respect strict de ces limites.
Dans l’exemple présenté ci-dessus, les longues discussions ont conduit à une réattribution des enveloppes respectives à l’issue de véritables négociations au cours desquelles chaque système a concédé qui une dimension qui une position qui une précision pour atteindre une solution. Dans d’autres exemples, la concession est unilatérale et forcée, et la Coordination Technique n'est pas toujours en mesure d’imposer une solution d’intérêt collectif.
Cet état de fait peut paraître étonnant. C’est que la Coordination Technique n'est pas un organe de management, contrairement à ce à quoi l’on pourrait s’attendre au vu de la mission qui lui est conférée. Ou plutôt c’est un organe de management sans pouvoir. Elle effectue les études, établit des enveloppes et les propose ; mais elle ne peut en imposer l’usage ni le respect que dans la mesure où les systèmes ont conscience de l’intérêt d’une solution commune, et ne souhaitent pas se camper sur des positions unilatérales, quand ils estiment que leur performance (ou
leurs intérêts particulier ? ou leur amour-propre ?) serait par trop remise en cause.
Dans ce contexte, les enveloppes, qui étaient un outil proposé pour gérer l’espace, ont parfois été reçues comme un instrument de pouvoir, et rejeté comme tel par des systèmes plus désireux d’assurer une performance optimale à leur propre détecteur que d’assurer la réalisabilité de l’ensemble du détecteur. Management du rêve, un management cauchemardesque.
4. REFLEXIONS CONCLUSIVES
Dans How experiments end [14], P. Galison a appliqué le concept de contraintes aux expériences de physique des particules, et à leur évolution au cours du vingtième siècle. Il y distingue contraintes à court, moyen et long terme, en s’inspirant de la typologie de Fernand Braudel en temps géographique, temps social et temps événementiel. Cette grille de lecture, appliquée à la théorie, à la méthode expérimentale, ainsi qu'à l’instrumentation, aide à prendre conscience du contexte et du processus d’élaboration des expériences de physique, et des échanges et influences entre les différents acteurs de la conception. L’expérience ATLAS
constitue une nouvelle étape par rapport aux expériences des années 1960-1970, les dernières étudiées par Galison. Nous souhaiterions nous interroger sur les limites que rencontrent les collaborations de physiques en ce tournant de millénaire. N’a-t-on pas atteint un point de bifurcation dans la croissance en complexité de ces expériences, qui rendrait leur gestion sociotechnique difficilement maîtrisable ?
Les travaux de K. Knorr-Cetina [17] sont consacrés avec beaucoup de pertinence à la sociologie de la communauté des physiciens, mais les ingénieurs et techniciens en sont curieusement absents. Ils sont beaucoup plus présents chez Galison, en particulier dans son second ouvrage, Image
and Logic [15]. Il manque cependant, selon moi, une perspective de
gestion de projet et de génie industriel qu'il serait intéressant d’approfondir, dans un contexte d’histoire et de philosophie des techniques, et en particulier des techniques de la science. Le champ de réflexion est alors considérable.
Une entrée possible de ce champ peut être constitués par la gestion des données techniques. En suivant la piste de l’information technique, par exemple des dessins, on constaterait en première analyse que, des discussions informelles, articles et schémas de principe des années 1910, on passe à des dessins isolés souvent exécutés à la main dans les années
1930, puis à des dessins industriels effectués en bureaux d’études dans les années 1960, mais gérés localement, et à l’émergence dans les années 1990 de normes de qualité et de la gestion des données techniques. La pression en termes d’échanges des données suit en effet la dispersion des équipes travaillant sur le même projet. On trouvera des premiers éléments de réflexion sur ce thème dans quelques travaux de recherche en cours, qui permettraient d’affiner cette première analyse et de nuancer l’impression par trop positiviste qu’elle peut laisser.
La problématique de la contrainte est sous-jacente à nombre des réflexions sur l'ingénierie distribuée que propose cet article. Il conviendrait de distinguer avec soin contraintes, causes, résistances, obstacles, en faisant écho aux passionnantes controverses entre Galison et Pickering (on consultera les articles qui lui sont consacrées dans [16]), et de problématiser proprement leur évocation sur les plans philosophique, sociologique, historique, scientifique, technique, organisationnel. C’est en tout état de cause un axe problématique qui semble pertinent pour analyser les enjeux de ces processus de conception et de coordination.
5. ÉPILOGUE : FORMER AUX COMPETENCES DE LA CONCEPTION DE GRANDS PROJETS SCIENTIFIQUES
Il n'est pas certain que les compétences de la conception de grands projets soit spécifique. Il me semble possible de dégager des tendances qui, sans doute, se retrouvent dans bien d’autres domaines de la conception aujourd’hui. Dans quelles directions, selon moi, doivent évoluer les compétences, telle est la question à laquelle je me propose de m'intéresser pour conclure. Il sera hors de mon propos de suggérer comment pourrait s’effectuer cette formation…
5.1. Évolution culturelle
De nombreux éléments de décision technique, dans un projet comme ATLAS, ne sont pas d’ordre technique, mais bien plutôt culturel, voire liés
à des considérations politiques externes, quasi géopolitiques. Ceci est une évolution naturelle, que le projeteur et l’ingénieur doivent savoir intégrer dans leur pratique technique quotidienne.
L’ouverture de l’entreprise sur le monde extérieur conduit au concept d’entreprise étendue. Les acteurs d'un projet, au sein d’une entreprise, ont affaire à beaucoup d’acteurs externes : le client, les fournisseurs, les sous-traitants, les prestataires de service… Tous ces acteurs peuvent évoluer, tant géographiquement que culturellement, dans des contextes très
différents. Et chacun, acteur d'un projet, doit acquérir au moins une idée des échanges et des partages globaux qu’implique leur collaboration. Pour un projeteur cantonné à la réalité quotidienne de son bureau d’études et aux quelques contacts avec le laboratoire d’essais ou aux simples catalogues de fournisseurs, l’évolution est notable.
Un nouveau profil de mécanicien se dégage : les capacités techniques, « métier » et les procédures associées ne sont plus que la fondation de son savoir-faire. Il devra en outre savoir manier les outils de communication, de recherche d’information et de gestion des données dans un contexte de projet étendu.
5.2. Conséquences sur la formation
Au-delà de l’intitulé convenu de tous les programmes, la compétence de travail en équipe me paraît primordiale. Il est hors de question de rêver encore d'un travail de concepteur seul isolé perdu devant sa console de conception assistée par ordinateur. Les interlocuteurs sont multiples, et évoluent dans un contexte sociotechnique varié et évolutif.
Davantage qu'à des outils, les concepteurs de demain doivent être formés à des méthodes, et à un niveau conceptuel plus élevé, à l’appropriation de nouvelles méthodes. Au cours de leur carrière, les outils évolueront très vite ; mais les méthodologies, considérées comme plus stables, ne sont plus à l’abri de changements profonds. La mise en |œuvre de démarches en plateaux projets, en conception intégrée, en ingénierie concourante en sont des exemples. Qui pourrait encore affirmer que ce ne sont pas des compétences sociotechniques que nos futurs concepteurs se doivent de maîtriser désormais ?
REMERCIEMENTS
Cet article se nourrit de mon travail au sein de la coordination technique de l’expérience ATLAS, dont je souhaite remercier les membres, victimes
insouciantes de mes observations et réflexions. Les acteurs cosmopolites du « Small Wheel Working Group » que je coordonne ont beaucoup contribué à cet article, je leur en suis reconnaissants. Le travail mené avec les projeteurs du bureau d’étude EP/EC-TO que j'anime depuis quatre ans a également beaucoup compté.
Les influences sur les concepts et grilles de réflexion sont principalement de deux sources : d’une part ce que l’on appelle désormais l’École Grenobloise de la conception, autour des équipes de 3S à l’ENSHMG, et de CRISTO ; mes fructueux contacts avec nombre de leurs membres, et
en particulier avec P. Lécaille, qui a fait un long séjour dans mon bureau d’études, et avec D. Vinck, ont été essentiels dans l’élaboration encore partielle de mes réflexions. Et d’autre part, les livres et articles de Peter Galison, ainsi que les riches discussions que j'ai eu l’avantage de poursuivre avec lui, ont guidé mes réflexions sur la constitution des détecteurs de particules et sur les interactions entre physiciens et ingénieurs.
REFERENCES
[1]. B. Nicquevert, L’échange des données techniques au sein d’une
collaboration internationale : une gestion complexe, Université
d’été Pratiques industrielles et pratiques de formation en CAO mécanique, Ecole Normale Supérieure de Cachan, septembre 1997. http://sojourner.ens-cachan.fr/actes/cern.htm.
[2]. G. Fraser, E. Lillestøl, I. Sellevåg, À la recherche de l’infini, des
quarks au big-bang, Ed. Flammarion/Cern, 1996.
Une excellente vulgarisation de la recherche en physique de particules et en cosmologie.
[3]. B. Nicquevert, C. Hauviller [Eds], Oct. 1994, Proceedings of the
Workshop on Advanced Materials for High Precision Detectors,
Cern Report 94-07.
http://preprints.cern.ch/cernrep/1994/94-07/94-07.html.
[4]. G. Bachy, A.-P. Hameri, Mar. 1995, What to be implemented at the early stage of a large-scale project, LHC note 315.
[5]. B. Nicquevert, Atlas QAP 0303-00 et -02, Breakdown Structures, Jun. 1997
http://atlasinfo.cern.ch/Atlas/QA/303-02.pdf.
[6]. P. Leclair, « Les choix à faire en matière d'ingénierie concourante nécessitent une analyse préalable des enjeux de l’entreprise et de l’environnement dans lequel elle opère », in P. Bossard, C. Chanchevrier, P. Leclair, Ingénierie concourante. De la technique
au social, Economica, 1997, 117-122.
[7]. F. Darses, « L’ingénierie concourante : un modèle en meilleure adéquation avec les processus cognitifs de conception », in P. Bossard, C. Chanchevrier, P. Leclair, Ingénierie concourante. De la
technique au social, Economica, 1997, 39-56.
[8]. A. Jeantet. « Les objets intermédiaires dans les processus de conception », Sociologie du travail, 1998, 40-3, 291-316.
[9]. D. Vinck, « Les objets intermédiaires dans les réseaux de coopération scientifique. Contribution à la prise en compte des
objets dans les dynamiques sociales ». Revue française de sociologie, XL-2, 1999, 385-414.
[10]. D. Vinck (dir.), Ingénieurs au quotidien. Ethnographie de l’activité
de conception et d’innovation. Presses Universitaires de Grenoble,
1999.
[11]. P. Lécaille and D. Vinck, « Aspects sociologiques et ergonomiques
du monde virtuel », Digital Mock-Up Visualisation in Product
Conception and Downstream Processes, Brite-Euram Project BRPR-CT97-0449, 2000.
[12]. P. Lécaille, « Échanges et gestion des données d'ingénierie au Cern », Cern LHC-_-GR-0003, Feb. 1999.
http://edmsoraweb.cern.ch:8001/cedar/doc.info?document_id = 101140.
[13]. B. Nicquevert, S. Petit et P. Lécaille, « Un système de gestion de dessins sur le projet scientifique ATLAS : Motivation, implantation, exploitation », séminaire Priméca Systèmes de Gestion de Données
Techniques - Offres, expérience et choix, Grenoble, octobre 1998.
[14]. P. Galison, How Experiments End, Chicago University Press, 1987. Trad. B. Nicquevert, Ed. La Découverte, 2001.
[15]. P. Galison, Image and Logic. A material culture in microphysics, Chicago University Press, 1997.
[16]. J. Buchwald (ed.), Scientific Practice : Theories and stories of doing
physics. Chicago, University of Chicago Press, 1995.
[17]. Knorr K., Epistemic Cultures, Harvard University Press, 1999.
[18]. T. Berners-Lee, M. Fischetti (Contributor), M. Dertouzos, Weaving
the Web : The Original Design and Ultimate Destiny of the World Wide Web by its Inventor, Harper, San Francisco, 1999
