Analyse fonctionnelle et structurelle d'un produit
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Analyser les produits existants
Du besoin au cahier des charges
Un produit industriel n'existe jamais par hasard : il naît d'un besoin exprimé par un utilisateur. L'analyse fonctionnelle consiste à traduire ce besoin en fonctions mesurables, puis en exigences chiffrées que le produit devra satisfaire. C'est le point de départ de toute démarche d'ingénierie système.
Les trois questions fondatrices
Avant de concevoir, on interroge le besoin avec trois questions. Si le besoin résiste aux trois, il est validé et le projet peut démarrer.
- À qui le produit rend-il service ? — on identifie l'utilisateur, et plus largement toutes les parties prenantes (acheteur, installateur, service de maintenance, environnement).
- Sur quoi agit-il ? — on identifie la matière d'œuvre transformée : un objet, de l'énergie, une information ou une personne.
- Dans quel but ? — on énonce la valeur ajoutée, c'est-à-dire ce qui change entre l'entrée et la sortie du produit.
Fonctions principales et fonctions contraintes
Un produit est plongé dans un milieu extérieur : utilisateur, énergie disponible, réseau, milieu ambiant, normes, budget. Chaque élément de ce milieu génère des attentes. On distingue alors deux familles de fonctions de service.
| Fonction principale (FP) | Fonction contrainte (FC) | |
|---|---|---|
| Rôle | Elle exprime la raison d'être du produit : le service pour lequel on l'achète | Elle exprime une adaptation obligatoire au milieu extérieur |
| Relation | Elle relie deux éléments du milieu extérieur en passant par le produit | Elle relie le produit à un seul élément du milieu extérieur |
| Exemple (trottinette électrique) | Déplacer l'utilisateur sur la chaussée | Résister aux intempéries · Être rechargeable sur le réseau 230 V · Respecter la limite de 25 km/h |
| Conséquence si absente | Le produit ne sert plus à rien | Le produit rend encore son service, mais devient inutilisable, dangereux ou illégal |
Analyser les produits existants
Modéliser la structure avec SysML
Le langage SysML (Systems Modeling Language) sert à décrire un système pluritechnologique avec des diagrammes normalisés, compris de la même façon par le mécanicien, l'électronicien et l'informaticien. En Sciences de l'ingénieur, quatre diagrammes reviennent constamment.
| Diagramme | Sigle | Ce qu'il montre | Question à laquelle il répond |
|---|---|---|---|
| Diagramme des exigences | req | Les exigences, leur identifiant, leur texte, et leurs liens de dérivation ou de raffinement | Que doit satisfaire le produit ? |
| Diagramme des cas d'utilisation | uc | Les acteurs extérieurs et les services que le système leur rend | À qui sert-il, et pour quoi faire ? |
| Diagramme de définition de blocs | bdd | La décomposition du système en blocs et sous-blocs (structure arborescente) | De quoi est-il constitué ? |
| Diagramme de blocs internes | ibd | Les blocs reliés par des flux d'énergie, de matière et d'information via leurs ports | Comment les constituants échangent-ils ? |
| Diagramme d'états | stm | Les états successifs du système et les transitions qui les déclenchent | Comment se comporte-t-il dans le temps ? |
Structurel ou comportemental ?
On classe les diagrammes SysML en deux familles. Les diagrammes structurels (bdd, ibd) décrivent ce qu'est le système : ses constituants et leurs connexions. Les diagrammes comportementaux (uc, stm, diagramme de séquence) décrivent ce que fait le système au cours du temps. Le diagramme des exigences, lui, forme une famille à part : il porte les besoins et sert de référence pour valider les deux autres familles.
L'écart entre les trois performances
La démarche de l'ingénieur repose sur la comparaison de trois valeurs d'une même performance. Un écart non nul n'est pas un échec : c'est une information qui indique où chercher.
| Écart | Entre quoi et quoi | Ce qu'il révèle |
|---|---|---|
| Écart 1 | Performance attendue (cahier des charges) et performance mesurée sur le produit réel | Le produit réel respecte-t-il le besoin ? C'est l'écart de validation. |
| Écart 2 | Performance attendue et performance simulée par le modèle | Le modèle prévoit-il un produit conforme au besoin ? On agit sur la conception. |
| Écart 3 | Performance mesurée et performance simulée | Le modèle est-il fidèle au réel ? Si l'écart est grand, on affine le modèle (frottements, rendements, hypothèses). |
Exercices corrigés
Comment doit s'énoncer une fonction de service ?
- A.Par un nom de composant technique
- B.Par un verbe à l'infinitif suivi d'un complémentBonne réponse
- C.Par une valeur numérique et son unité
- D.Par le nom du fabricant du produit
Réponse : B — Par un verbe à l'infinitif suivi d'un complément
Une fonction décrit une action attendue, pas un objet : on écrit "maintenir la température", "déplacer l'utilisateur", "filtrer l'air". Le verbe à l'infinitif garantit qu'on parle d'un service rendu et non d'une solution technique. La valeur numérique, elle, apparaît plus tard, dans le critère de l'exigence.
Que signifie le sigle SysML ?
- A.System Manufacturing Level
- B.Synchronous Mechanical Language
- C.Systems Modeling LanguageBonne réponse
- D.Système de Modélisation Logicielle
Réponse : C — Systems Modeling Language
SysML est le Systems Modeling Language, un langage graphique normalisé pour décrire des systèmes pluritechnologiques. Son intérêt : mécaniciens, électroniciens et informaticiens lisent les mêmes diagrammes sans ambiguïté, ce qui évite les malentendus entre équipes.
Quel diagramme SysML décrit la décomposition d'un système en blocs et sous-blocs ?
- A.Le diagramme de définition de blocs (bdd)Bonne réponse
- B.Le diagramme des cas d'utilisation (uc)
- C.Le diagramme d'états (stm)
- D.Le diagramme des exigences (req)
Réponse : A — Le diagramme de définition de blocs (bdd)
Le bdd (block definition diagram) donne l'arborescence structurelle : le système, puis ses constituants, puis leurs sous-constituants. Le uc s'intéresse aux acteurs, le stm au comportement temporel et le req aux exigences du cahier des charges.
Dans un diagramme de blocs internes (ibd), les flèches qui relient les blocs représentent :
- A.Des relations de composition entre les blocs
- B.L'ordre chronologique de fabrication
- C.Les flux d'énergie, de matière et d'informationBonne réponse
- D.Les exigences du cahier des charges
Réponse : C — Les flux d'énergie, de matière et d'information
L'ibd est le diagramme des échanges : chaque liaison porte un flux d'énergie (électrique, mécanique, thermique), de matière ou d'information. Les relations de composition, elles, sont l'affaire du bdd, qui est une arborescence et non un réseau de flux.
Un ingénieur constate un écart important entre la performance mesurée sur le prototype et la performance simulée par son modèle. Que doit-il conclure en priorité ?
- A.Le cahier des charges est mal rédigé
- B.Le client a changé son besoin en cours de projet
- C.Le produit doit être immédiatement commercialisé
- D.Le modèle est trop éloigné du réel et doit être affinéBonne réponse
Réponse : D — Le modèle est trop éloigné du réel et doit être affiné
L'écart mesuré / simulé interroge la qualité du modèle, pas celle du besoin. Un modèle qui néglige les frottements, les rendements réels ou l'inertie donne des valeurs optimistes. On enrichit alors le modèle avant de tirer la moindre conclusion sur la conformité du produit.
Laquelle de ces formulations n'est PAS une fonction, mais déjà une solution technique ?
- A.Utiliser un moteur pas à pas de 200 pas par tourBonne réponse
- B.Positionner la caméra dans le plan horizontal
- C.Détecter la présence d'un obstacle
- D.Informer l'utilisateur de l'état de charge
Réponse : A — Utiliser un moteur pas à pas de 200 pas par tour
"Utiliser un moteur pas à pas" impose déjà le comment : c'est une solution technique. Une fonction ne dit que le quoi. En figeant la solution dès le cahier des charges, on interdit au concepteur d'explorer d'autres pistes (servomoteur, vérin, moteur à courant continu avec codeur) qui seraient peut-être meilleures ou moins chères.
Dans un diagramme des exigences, le lien « satisfy » relie une exigence à :
- A.Un autre besoin exprimé par le client
- B.Un élément de conception qui la réaliseBonne réponse
- C.Un essai de validation en laboratoire
- D.Un acteur du diagramme des cas d'utilisation
Réponse : B — Un élément de conception qui la réalise
Le lien satisfy montre quel bloc de la conception prend en charge l'exigence : c'est le pont entre le req et le bdd. Attention, le lien qui pointe vers un essai s'appelle verify. Retiens le couple : satisfy vers la solution, verify vers la preuve.
Un cahier des charges impose : « autonomie supérieure à 8 h, flexibilité F0 ». Que signifie F0 ?
- A.Le critère est impératif : aucune tolérance n'est acceptéeBonne réponse
- B.Le critère est simplement souhaité par le client
- C.Le critère sera défini plus tard dans le projet
- D.Le critère est négociable jusqu'à 20 % d'écart
Réponse : A — Le critère est impératif : aucune tolérance n'est acceptée
La flexibilité gradue la marge de négociation d'un critère. F0 signifie impératif : une autonomie de 7 h 55 fait échouer la validation. F1 est peu négociable, F2 négociable, F3 très négociable. Repérer les F0 d'un cahier des charges, c'est repérer les points sur lesquels la conception n'a aucune liberté.
Le cahier des charges d'un drone impose une autonomie de 25 min. La simulation annonce 27 min, la mesure sur le prototype donne 19 min. Quel écart doit alerter en premier sur la conformité du produit livré ?
- A.L'écart simulé / mesuré, de 8 min
- B.L'écart attendu / simulé, de 2 min
- C.L'écart attendu / mesuré, de 6 minBonne réponse
- D.Aucun : la simulation dépasse déjà l'exigence
Réponse : C — L'écart attendu / mesuré, de 6 min
La conformité du produit livré se juge en comparant l'attendu (25 min) au mesuré sur le réel (19 min) : l'écart de 6 min signifie que le drone ne respecte pas le besoin. L'écart simulé/mesuré de 8 min est réel lui aussi, mais il interroge la fidélité du modèle, pas la conformité. Et se rassurer avec la simulation (proposition 4) est le piège classique : c'est le produit réel qui est livré au client, pas le modèle.
Un vélo à assistance électrique doit être « rechargeable sur une prise domestique » et « transporter le cycliste sur route ». Comment classer ces deux fonctions ?
- A.Les deux sont des fonctions principales
- B.La première est une FC, la seconde une FPBonne réponse
- C.La première est une FP, la seconde une FC
- D.Les deux sont des fonctions contraintes
Réponse : B — La première est une FC, la seconde une FP
"Transporter le cycliste sur route" relie deux éléments du milieu extérieur, le cycliste et la route : c'est la fonction principale, la raison d'être du vélo. "Être rechargeable sur une prise domestique" ne relie le produit qu'à un élément, le réseau électrique : c'est une fonction contrainte, une adaptation obligatoire au milieu.
Parmi ces exigences, laquelle est inexploitable en l'état ?
- A.Le niveau sonore doit rester inférieur à 45 dB à 1 m
- B.Le temps de réponse doit être inférieur à 200 ms
- C.La masse totale ne doit pas dépasser 3,5 kg
- D.Le produit doit être agréable à utiliserBonne réponse
Réponse : D — Le produit doit être agréable à utiliser
"Agréable à utiliser" n'a ni grandeur, ni valeur, ni méthode de mesure : impossible de dire si le produit est conforme. Pour la rendre exploitable, il faudrait la traduire, par exemple : "effort d'actionnement du levier inférieur à 15 N" ou "note de satisfaction supérieure à 4/5 sur un panel de 30 utilisateurs". Les trois autres énoncés portent tous une grandeur, une valeur et une unité.
Pourquoi le diagramme des cas d'utilisation (uc) est-il classé parmi les diagrammes comportementaux et non structurels ?
- A.Parce qu'il décrit les services rendus aux acteurs, pas les constituants du systèmeBonne réponse
- B.Parce qu'il contient toujours des grandeurs physiques mesurées
- C.Parce qu'il est dessiné après le diagramme de blocs internes
- D.Parce qu'il représente les composants électroniques du système
Réponse : A — Parce qu'il décrit les services rendus aux acteurs, pas les constituants du système
Le uc montre des acteurs et les services qu'ils attendent : il décrit ce que le système fait pour l'extérieur. Rien dans ce diagramme ne dit de quoi le système est fait — aucun bloc, aucun composant. C'est cette absence de description de la matière du système qui le range du côté comportemental, avec le stm et le diagramme de séquence.
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