Découverte de connaissances pour la maintenance avionique : une approche d'apprentissage de concepts non supervisée

Knowledge Discovery for Avionics Maintenance : An Unsupervised Concept Learning Approach

• Auteur / Autrice : Luis Palacios Medinacelli
• Direction : Chantal Reynaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 04/06/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne ; 1998-2020) - Thales Research and Technology (Palaiseau, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Defude
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chantal Reynaud, Bruno Defude, Myriam Lamolle, Bernard Espinasse, Nhan Le Thanh, Carlos Insaurralde, Yue Ma, Gaëlle Lortal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Myriam Lamolle, Bernard Espinasse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maintenance automatisée

Fiabilité

Avionique

Apprentissage automatique

Systèmes experts (informatique)

Ontologies (informatique)

Mots clés libres

Ontologie

Base de connaissance

Apprentissage automatique

Maintenance avionique

Raffinement de concepts

Apprentissage de concepts

Ontology

Knowledge base

Machine learning

Avionics mainenance

Concept refinement

Concept learning

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions le problème de l’analyse de signatures de pannes dans le domaine de la maintenance avionique, afin d’identifier les défaillances au sein d’équipements en panne et suggérer des actions correctives permettant de les réparer. La thèse a été réalisée dans le cadre d’une convention CIFRE entre Thales Research & Technology et l’Université Paris-Sud. Les motivations sont donc à la fois théoriques et industrielles. Une signature de panne devrait fournir toutes les informations nécessaires pour identifier, comprendre et réparer la panne. Pour comprendre le mécanisme la panne son identification doit donc être explicable. Nous proposons une approche à base d’ontologies pour modéliser le domaine d’étude, permettant une interprétation automatisée des tests techniques réalisés afin d’identifier les pannes et obtenir les actions correctives associées. Il s’agit d’une approche d’apprentissage de concepts permettant de découvrir des concepts représentant les signatures de pannes tout en fournissant des explications sur les choix de propositions de réparations. Comme les signatures ne sont pas connues a priori, un algorithme d’apprentissage automatique non supervisé approxime les définitions des concepts. Les signatures apprises sont fournies sous forme de définitions de la logique de description (DL) et ces définitions servent d’explications. Contrairement aux techniques courantes d’apprentissage de concepts conçues pour faire de l’apprentissage supervisé ou basées sur l’analyse de patterns fréquents au sein de gros volumes de données, l’approche proposée adopte une perspective différente. Elle repose sur une construction bottom-up de l’ontologie. Le processus d’apprentissage est réalisé via un opérateur de raffinement appliqué sur l’espace des expressions de concepts et le processus est guidé par les données, c’est-à-dire les individus de l’ontologie. Ainsi, les notions de justifications, de concepts plus spécifiques et de raffinement de concepts ont été révisées et adaptées pour correspondre à nos besoins. L’approche a ensuite été appliquée au problème de la maintenance avionique. Un prototype a été implémenté et mis en œuvre au sein de Thales Avionics à titre de preuve de concept.

In this thesis we explore the problem of signature analysis in avionics maintenance, to identify failures in faulty equipment and suggest corrective actions to resolve the failure. The thesis takes place in the context of a CIFRE convention between Thales R&T and the Université Paris-Sud, thus it has both a theoretical and an industrial motivation. The signature of a failure provides all the information necessary to understand, identify and ultimately repair a failure. Thus when identifying the signature of a failure it is important to make it explainable. We propose an ontology based approach to model the domain, that provides a level of automatic interpretation of the highly technical tests performed in the equipment. Once the tests can be interpreted, corrective actions are associated to them. The approach is rooted on concept learning, used to approximate description logic concepts that represent the failure signatures. Since these signatures are not known in advance, we require an unsupervised learning algorithm to compute the approximations. In our approach the learned signatures are provided as description logics (DL) definitions which in turn are associated to a minimal set of axioms in the A-Box. These serve as explanations for the discovered signatures. Thus providing a glass-box approach to trace the reasons on how and why a signature was obtained. Current concept learning techniques are either designed for supervised learning problems, or rely on frequent patterns and large amounts of data. We use a different perspective, and rely on a bottom-up construction of the ontology. Similarly to other approaches, the learning process is achieved through a refinement operator that traverses the space of concept expressions, but an important difference is that in our algorithms this search is guided by the information of the individuals in the ontology. To this end the notions of justifications in ontologies, most specific concepts and concept refinements, are revised and adapted to our needs. The approach is then adapted to the specific avionics maintenance case in Thales Avionics, where a prototype has been implemented to test and evaluate the approach as a proof of concept.