Etude des approches méthodologiques pour l'amélioration environnementale des performances en conception de systèmes complexes

par Nicolas Tchertchian

Thèse de doctorat en Génie industriel

Sous la direction de Dominique Millet.

Le président du jury était Nicolas Perry.

Le jury était composé de Dominique Millet, Emmanuel Caillaud, Pierre-Alain Yvars, André Margaillan, Carmine Biancardi.

Les rapporteurs étaient Nicolas Perry, Emmanuel Caillaud.


  • Résumé

    Avec l’homogénéisation d’un mode de développement à l’image de celui des pays occidentaux les ressources terrestres sont de plus en plus mises à mal rendant de plus en plus urgent un développement durable. Pour atteindre un tel développement, il est nécessaire d’intégrer la dimension environnementale dès les premières étapes du processus de conception de produits. De nombreux outils d’écoconception ont été développés pour satisfaire aux conditions du développement durable. Cependant, ces outils ne sont généralement pas adaptés à la conception de systèmes mécaniques complexes car soit trop spécifiques soit trop généraux ou reposent sur des règles empiriques souvent invérifiables. C'est pourquoi nous proposons dans ce travail de recherche de mettre en place une méthodologie et des outils adaptés à la conception de systèmes complexes. Les travaux effectués nous ont amenés à développer 4 approches méthodologiques permettant à chaque fois d’apporter des réponses aux aspects problématiques identifiés : 1. Les outils d’écoconception actuels sont-ils adaptés à la prise en compte des dimensions multiples de la conception de systèmes ? 2. Comment identifier et hiérarchiser les axes d’amélioration environnemental les plus prometteurs ? 3. Comment déterminer les solutions technologiques adaptées à un système complexe et garantissant la meilleure performance environnementale ? 4. Quelles fonctionnalités pour des performances environnementales optimales pour un système complexe? D’abord, l’approche Pareto/ ACV, introduit dans le chapitre 3, repose sur une simplification du système en considérant que les principales sources d’impact sont générées par une faible partie du système. C’est une approche qui consiste à réaliser une succession d’ACV pour chaque alternative proposée, c’est un processus d’optimisation fastidieux. Toutefois Cette approche fourni des résultats « justes » et est bien adaptée aux raisonnements des concepteurs. En effet par leur expérience du métier et par leur connaissance du produit, le concepteur peut facilement identifier les principaux contributeurs d’impacts. Nous avons, ensuite, développé une approche combinant plans d’expériences et ACV, présentée dans le chapitre 4. Cette approche s’appuie sur une modélisation complète du produit. Le principal apport de la méthode DoE/ ACV est la possibilité de hiérarchiser les paramètres du système en fonction de leur influence sur la performance environnementale du système. Afin de répondre aux limites identifiées lors de l’étude des deux outils précédents nous avons proposé une nouvelle approche basée sur la satisfaction des contraintes (CSP) combinée avec l’ACV et présentée dans le chapitre 5. La phase la plus fastidieuse consiste à modéliser le système (définition des variables de conception, des contraintes du système sous la forme d’équation et des variables de performances que l’on souhaite satisfaire). Il est nécessaire de recueillir des informations sur chaque processus et composants du système, sur la phase d’usage, la maintenance, etc. L’avantage par rapport aux outils précédents est la capacité de l’outil à garantir un ensemble complet de solutions et permet au concepteur de choisir une solution valable selon des variables de performance (amélioration de la performance environnementale selon des indicateurs environnementaux) et contraintes spécifiées lors de la définition du cahier des charges. En complément à l’approche CSP/ ACV, nous avons proposé l’approche EcoCSP, dans le chapitre 6, dans laquelle les spécifications fonctionnelles ne sont plus figées. La méthode ecoCSP permet d’appréhender la configuration de l’architecture produit correspondant à une évolution des performances fonctionnelles. L’approche méthodologique EcoCSP est utilisée pour faire des arbitrages fonctionnels qui modifient l’unité fonctionnelle du système avec les conséquences que cela entraine

  • Titre traduit

    Study of methodological approaches for improving environmental performance in complex system design


  • Résumé

    The tendency towards a homogenous mode of development modeled on that of Western countries means that sustainable development has become increasingly urgent. In order to implement such development, it is not enough to make superficial reductions of environmental impacts; it is necessary to thoroughly redefine products and their expected performances in such a way that the consequences are compatible with sustainable development. Many ecodesign tools have been developed to meet the requirements of sustainable development. However, these tools are not generally suitable for the design of complex systems because there are either too specific, too general or based on rules of thumb often unverifiable. That is why we propose in this research to develop a methodological approach for ecodesign complex systems. This research work has led us to develop four methodological approaches each time to provide answers to the identified problem areas: 1. Are the current eco-design tools adapted to take into account the multiple dimensions of system design? 2. How to identify and hierarchize the most promising areas of environmental improvement at the early stages of the design process? 3. How to determine technological solutions adapted to a complex system and guarantee the best environmental performance? 4. Which are the necessary features for optimal environmental performances for a complex system? First, the Pareto / LCA approach, introduced in Chapter 3, is based on a simplification of the system considering that the main sources of impact are generated by a small part of it. It consists of a succession of LCA for each proposed alternative; it is a tedious process optimization. However, this approach provides “good” results and is well suited to designers’ reasoning. Indeed by their industry experience and knowledge of the product, the designer can easily identify the main contributors to impacts. Then we developed an approach presented in Chapter 4 that combines Design of Experiment (DoE) and LCA. This approach is based on a complete modeling of the product. The main contribution of the DoE / ACV approach is the ability to prioritize the system parameters according to their influence on the environmental performance of the system. To address the limitations identified in the study of the two previous tools we have proposed a new methodological approach based on Constraint Satisfaction Problem (CSP) combined with LCA and presented in Chapter 5. The most time consuming step is to model the system (definition of design parameters, constraints, equation and performance). It is necessary to gather information about each process and system components, the use phase, maintenance, etc. The advantage over previous tools is the ability of the approach to ensure a complete set of solutions, allowing the designer to choose a good one that complies to environmental performance and constraints specified in the definition specifications. In addition to the CSP / LCA approach, we propose an EcoCSP approach, in Chapter 6. In it, the functional specifications are no longer “frozen”. The approach EcoCSP allows us to understand the configuration of the product corresponding to a change in functional performance. The EcoCSP is used to make functional trade-offs that affect the functional unit of the system with the consequences this entails.

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