École de technologie supérieure Université de Technologie de Université du Québec Compiègne THÈSE EN COTUTELLE présentée à l’École de technologie supérieure et à l’Université de Technologie de Compiègne comme exigence partielle à l’obtention du Doctorat En Génie Grade de Docteur de l’Université Ph.D. de Technologie de Compiègne Présentée par Matthieu BRICOGNE-CUIGNIÈRES Thèse dirigée par Louis RIVEST Nadège TROUSSIER Préparée au sein des laboratoires Unité de Recherche en Mécanique - Roberval Laboratoire d'ingénierie des UMR 7337 produits, procédés et systèmes École Doctorale n°71 (LIPPS) et Numerix « Sciences pour l’ingénieur » Champ disciplinaire « Mécanique avancée » MÉTHODE AGILE POUR LA CONCEPTION COLLABORATIVE MULTIDISCIPLINAIRE DE SYSTÈMES INTÉGRÉS : APPLICATION À LA MÉCATRONIQUE Thèse soutenue publiquement le 13 février 2015, devant le jury composé de : M. Lionel ROUCOULES Professeur des Universités, Arts et Métiers ParisTech, centre d’Aix en Provence (président du jury) M. Clément FORTIN Professeur associé à l’École Polytechnique de Montréal et Senior Advisor to the President au Skolkovo Institute of Science and Technology de Moscou (rapporteur) M. Frédéric NOËL Professeur des Universités, Grenoble INP (rapporteur) M. Benoît EYNARD Enseignant chercheur, Université de Technologie de Compiègne M. Mickaël GARDONI Professeur, École de technologie supérieure de Montréal M. Grégory HUET Product Manager, Parametric Technology Corporation M. Louis RIVEST Professeur, École de technologie supérieure de Montréal (Co-Directeur de thèse) Mme Nadège TROUSSIER Professeur des Universités, Université de Technologie de Troyes (Co-Directeur de thèse) Matthieu Bricogne, 2014 Cette licence Creative Commons signifie qu’il est permis de diffuser, d’imprimer ou de sauvegarder sur un autre support une partie ou la totalité de cette œuvre à condition de mentionner l’auteur, que ces utilisations soient faites à des fins non commerciales et que le contenu de l’œuvre n’ait pas été modifié. III PRÉSENTATION DU JURY CETTE THÈSE A ÉTÉ ÉVALUÉE PAR UN JURY COMPOSÉ DE : M. Benoît EYNARD, membre du jury Enseignant chercheur au laboratoire Roberval à l’Université de Technologie de Compiègne M. Clément FORTIN, rapporteur Professeur associé à l’École Polytechnique de Montréal et Senior Advisor to the President au Skolkovo Institute of Science and Technology de Moscou M. Mickaël GARDONI, membre du jury Professeur au département de génie de la production automatisée à l’École de technologie supérieure de Montréal M. Grégory HUET, membre du jury Product Manager chez Parametric Technology Corporation M. Frédéric NOËL, rapporteur Professeur des Universités au laboratoire Sciences pour la Conception, l'Optimisation et la Production de Grenoble (G-Scop) à Grenoble INP M. Louis RIVEST, codirecteur de thèse Professeur au département de génie de la production automatisée à l’École de technologie supérieure de Montréal M. Lionel ROUCOULES, président du jury Professeur des Universités au laboratoire des Sciences de l’Information et des Systèmes (LSIS) aux Arts et Métiers ParisTech, centre d’Aix en Provence Mme Nadège TROUSSIER, codirecteur de thèse Professeur des Universités au Centre de Recherches et d'Études Interdisciplinaires sur le Développement Durable (CREIDD) à l’Université de Technologie de Troyes IL A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC LE 13 FÉVRIER 2015 À L’UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE DE COMPIÈGNE V REMERCIEMENTS Les remerciements sont une rubrique que je parcours presque systématiquement lorsque je découvre des travaux de thèse car je trouve que les quelques phrases qu’ils contiennent en disent long sur leur auteur et sur le contexte dans lequel la thèse a été effectuée. Je vais à mon tour rendre hommage aux différentes personnes qui m’ont inspiré, poussé ou soutenu tout au long de ces… disons cinq années durant lesquelles j’ai pu murir ces travaux. En tout premier lieu, je tiens à te remercier Céline pour avoir su me pousser, me motiver à enfin achever cette thèse. Car tu le répètes à qui veut l’entendre, seule une échéance ferme a pour effet de me contraindre à avancer à un rythme soutenu... et pour ce projet, tu t’es auto-attribuée le rôle de gardienne du temps ! Un grand merci également pour m’avoir permis de réaliser les séjours dans cette formidable Belle Province qu’est le Québec, alors même que nos filles demandaient encore tant d’attention. Mais c’est promis, je n’attaquerai plus jamais de front deux ans de travaux quelques mois après l’arrivée de notre seconde fille en parallèle d’une thèse… Viennent ensuite bien entendu le binôme de choc constitué de Nadège et de Louis. Merci bien entendu à toi Nadège pour le temps consacré et tes précieux conseils, mais surtout pour m’avoir donné le goût et l’envie d’embrasser une carrière d’enseignant chercheur. Car c’est à toi que je dois cette envie de réaliser une thèse (dix ans déjà…), mais aussi de sauter le pas en quittant l’industrie pour revenir de l’autre côté des amphithéâtres. Je tiens également à te remercier très chaleureusement Louis pour m’avoir montré que l’on pouvait faire de la recherche « autrement ». Prendre le temps, aller au fond des choses, c’est la manière dont je me représentais la recherche, mais ce n’est pas toujours la façon dont on peut la pratiquer, en France tout du moins. Merci également pour ta gentillesse, la façon dont ta famille et toi m’avez accueilli et fait découvrir Montréal, sa région et son mode de vie. VI Avec Benoît, tout est possible… et c’est en effet toi qui a rendu tout ceci réalisable. Pour avoir recruté un enseignant chercheur sans doctorat et être ainsi sorti des sentiers battus, pour avoir énormément favorisé la logistique franco-canadienne, pour m’avoir mis en relation avec de nombreuses personnes de grande valeur des deux côtés de l’Atlantique et pour m’avoir prodigué de précieux conseils, je tiens à vivement te remercier. Je tiens ensuite à remercier l’ensemble de mes amis et proches pour m’avoir appuyé lorsque j’ai décidé de changer d’orientation professionnelle, pour s’être régulièrement intéressés à l’avancement de mes travaux, même si la thématique n’est pas des plus évidentes à appréhender… Je désire également saluer nos camarades de la société DeltaCAD, notamment Harvey Rowson, pour les discussions passionnantes que nous avons eues au sujet de ces travaux et pour avoir cru en leur pertinence au point de monter le projet de laboratoire commun DIMEXP. De façon très générale, je tiens à remercier les différents étudiants UTC qui ont travaillé sous mon encadrement à élaborer un démonstrateur qui leur semblait tant éloigné de leurs enseignements « traditionnels ». Enfin, je souhaite exprimer mes remerciements aux équipes des cousines que sont l’École de technologie supérieure de Montréal et de l’Université de Technologie de Compiègne, pour m’avoir permis de réaliser cette cotutelle dans de si bonnes conditions. J’ai également une pensée pour ceux qui n’auront pas eu l’occasion de partager la joie liée à l’aboutissement de ces travaux. VII MÉTHODE AGILE POUR LA CONCEPTION COLLABORATIVE MULTIDISCIPLINAIRE DE SYSTÈMES INTÉGRÉS : APPLICATION À LA MÉCATRONIQUE Matthieu BRICOGNE RÉSUMÉ Ces travaux portent sur la conception multidisciplinaire de systèmes intégrés. Ces systèmes sont soumis à un nombre d’exigences toujours croissant, entraînant des besoins en termes d’intégration fonctionnelle et spatiale. Ces différents types d’intégration relative au produit sont également la source d’une complexité organisationnelle, provenant à la fois de la multitude d’acteurs réalisant différentes activités d’ingénierie, mais également de la diversité des domaines impliqués, désignée dans ce manuscrit par « intégration multidisciplinaire ». Pour favoriser cette intégration multidisciplinaire, les phases de « conception préliminaire » et de « conception détaillée » ont été identifiées comme déterminantes, notamment car elles se caractérisent par la collaboration de nombreux experts, manipulant un grand nombre de données techniques de définition. Les systèmes conçus lors de conceptions multidisciplinaires restent faiblement intégrés. Cela est en partie dû au cloisonnement entre les disciplines et à un mode d’organisation projet basé sur une planification prédominante, caractérisé notamment par une diffusion de l’information principalement descendante (top-down). Afin d’assurer une meilleure collaboration entre ces différentes disciplines, de permettre des prises de décision éclairées par des indicateurs opérationnels et de pouvoir analyser et mieux comprendre les phénomènes d’intégration des expertises, l’introduction d’une méthode inspirée des principes fondateurs des méthodes agiles est proposée pour la conception collaborative de systèmes intégrés. La contribution de ces travaux s’appuie sur trois concepts complémentaires. Le premier, intitulé Collaborative Actions Framework correspond à un cadre de collaboration opérationnelle autour d’actions. Un des objectifs de ce framework est de faciliter la collaboration des acteurs des projets de conception, quelle que soit leur origine disciplinaire, mais également d’assurer une traçabilité entre les prises de décision et les corrections/modifications apportées sur les données techniques. Cette traçabilité est VIII rendue possible grâce aux liens existants avec le second concept intitulé Workspace. Apportant un nouvel éclairage sur les possibilités offertes par la collaboration autour de ces espaces de collaboration, ce concept offre un certain nombre de possibilités, notamment la mise en commun continue des travaux, l’intégration multidisciplinaire et la validation des modifications. Les échanges de données techniques entre les workspaces, ou le travail simultané sur les mêmes données techniques, s’appuient quant à eux sur la possibilité de pouvoir gérer de façon parallèle différentes versions d’une même donnée technique. Ces possibilités sont proposées par le troisième concept, intitulé branch & merge, qui permet également à différents acteurs de travailler simultanément sur les mêmes données. Enfin, ces trois concepts sont ensuite illustrés par l’intermédiaire d’un démonstrateur composé d’un scénario et d’un prototype informatique. Un produit mécatronique, combinaison synergique et systémique de la mécanique, de l'électronique et de l'informatique temps réel, est utilisé afin d’illustrer les possibilités offertes par nos travaux en termes d'intégration multidisciplinaire lors de la conception collaborative Mots clés : méthode agile ; conception collaborative ; intégration multidisciplinaire ; mécatronique ; systèmes intégrés ; conception intégrée ; Collaborative Actions Framework ; WorkSpaces ; Branch & Merge ; gestion de versions concurrentes ; Product Lifecycle Management ; Application Lifecycle Management ; Cyber-Physical Systems ; Ingénierie Système IX AGILE METHOD FOR THE MULTIDISCIPLINARY AND COLLABORATIVE DESIGN OF INTEGRATED SYSTEMS: APPLICATION TO MECHATRONICS Matthieu BRICOGNE ABSTRACT This work focuses on the multidisciplinary and collaborative design of integrated systems. These systems are subject to an ever increasing number of requirements, leading to the need for more comprehensive functional and spatial integration. These different types of product integration are also at the origin of organizational complexity. This complexity arises not only from the great number of actors performing various engineering activities but also from the diversity of disciplines involved (designated in this manuscript as “multidisciplinary integration”). To encourage this multidisciplinary integration, “preliminary design” and “detailed design” have been identified as the most significant steps, especially since they are characterized by the collaboration of multiple experts handling a large number of product definition’ technical data. Systems that have been designed thanks to multidisciplinary approaches are generally poorly integrated. This is partially due to the compartmentalization of disciplines, as well as to the “project-planned” method, where project planning is predominant and information is mainly spread out “top-down”. To ensure better cooperation between the various disciplines, to enable decision making based on operational indicators and to analyze and understand the multidisciplinary integration processes, a method inspired by the founding principles of agile methods (the agile manifesto) is proposed for the collaborative design of integrated systems. This work is based on three complementary concepts. The first is, the Collaborative Actions Framework, an operational framework for collaboration around actions. One objective of this framework is to improve the collaboration among designers, whatever their disciplinary origin. It also ensures traceability between decision making and corrections/changes made to technical data. This traceability is made possible by the use of the second concept, called Workspace. Even if this term is already well known, we propose a new definition/usage to transform it into collaboration spaces. This concept X offers great possibilities, including the continuous delivering/sharing of experts’ contributions, multidisciplinary integration and change validation. The exchange of technical data between workspaces, or simultaneous work on the same data, relies on the ability to manage several parallel versions of the same item into a single data management system. These opportunities are offered by the third concept, called Branch & Merge. Finally, these three concepts are illustrated through a scenario and a computer prototype. A mechatronic product, “the synergistic combination of mechanical and electrical engineering, computer science, and information technology” (Harashima et al., 1996), is used to illustrate the opportunities offered by our work in terms of multidisciplinary integration during collaborative design. Keywords : agile method; collaborative design; multidisciplinary integration; mechatronics systems; integrated systems; integrated design; Collaborative Actions Framework; WorkSpaces; Branch & Merge; Concurrent versioning; Product Lifecycle Management; Application Lifecycle Management; Cyber-Physical Systems; Systems Engineering