AAP 1996 : Modèles d'amélioration de fiabilité et de simulation de risques

Les technologies clés

Technologies organisationnelles et d'accompagnement

Modèles d'amélioration de fiabilité et de simulation de risques

Fiche Technologie-clé n : 120

VERSION 3

Présentation de la technologie
Objectifs de la technologie
Environnement technologique

Présentation de la technologie

Définition :

Les catastrophes industrielles de Feyzin (1966), Flixborough (1974), Seveso (1976), Bhopal (1984), ou encore les accidents aériens ou spatiaux, ont fortement exacerbé la notion de risque technologique. Services de l'Etat et industriels ont donc progressivement mis en place et appliqué de nouveaux règlements, de nouvelles méthodes. Il est devenu aujourd'hui indispensable de modéliser le déroulement d'un accident hypothétique, et d'anticiper jusqu'à des conséquences probables sur l'environnement. Les recherches se poursuivent et se systématisent pour réduire davantage la probabilité et la gravité des accidents de demain et pour optimiser le fonctionnement des équipements. Selon la norme NFC 01-191 (Chapitre 191 : sûreté de fonctionnement et qualité de service), la fiabilité est : "l'aptitude d'une entité à accomplir une fonction requise, dans des conditions données, pendant un intervalle de temps donné."

Outil de travail puissant, la simulation de scénarios incidentels et/ou accidentels et le calcul de leurs conséquences permet d'étudier le comportement d'un processus en faisant varier les paramètres de commande et les grandeurs perturbatrices. Les modèles de simulation prennent le plus souvent la forme de programmes informatiques auxquels sont quelquefois associés des éléments de calcul analogique. Les techniques interactives et graphiques permettent à l'utilisateur de dialoguer avec l'ordinateur, en réagissant immédiatement aux résultats qui lui sont présentés.

Techniques mises en oeuvre

L'étude d'un processus requiert l'établissement d'un modèle mathématique représentant fidèlement le comportement fonctionnel et dysfonctionnel du phénomène réel. L'élaboration du modèle nécessite des études de corrélation entre le comportement dynamique réel du système et le modèle informatique. Ces études sont faites en utilisant des méthodes de sûreté de fonctionnement.

Actuellement, les modèles d'amélioration de fiabilité et de simulation de risques sont de plus en plus numériques. Ils s'effectuent avec un calculateur numérique, et apportent une aide substantielle dans l'étude et l'analyse du processus. Des progiciels existent pour la modélisation, le calcul et l'analyse selon différentes approches :

Pour la conception, on distingue :

des méthodes d'analyse telles que l'analyse fonctionnelle, l'analyse de la valeur, les diagrammes de fiabilité, les arbres de défaillance, l'AMDEC (Analyse des modes de défaillances des composants, de leurs effets sur le système et de leur criticité), la MBF (Maintenance basée sur la fiabilité), l'HAZOP (Hazard And Operability study), la simulation dynamique, l'APR ( Analyse Préliminaire des Risques). L'identification des événements redoutés (dangers) permet donc d'orienter la conception. Sa mise en oeuvre s'appuie sur l'analyse fonctionnelle et sur l'utilisation de listes de risques génériques,
des modèles pour le calcul tels que les arbres de défaillance pour le système statique, les processus de Markov pour le système dynamique, les réseaux de Pétri pour le système dynamique,
des logiciels de calcul afin d'évaluer les paramètres probabilité,
des simulateurs comportementaux fonctionnels et/ou dysfonctionnels permettant d'automatiser la mise en oeuvre des méthodes,
- des logiciels de calcul des conséquences.

En exploitation, il s'agit de programmes de croissance de fiabilité tels que hyperexponentiel, littlewood verral...

Objectifs de la technologie

Contexte concurrentiel et économique

Le principal enjeu de cette technologie est de fournir une réponse alternative à l'approche expérimentale pour :

déterminer les impératifs en matière de sécurité des systèmes complexes (produits et processus). Le recours à la simulation est justifié, dans ce cas, par la complexité,
mettre à disposition des standards (diffusables sous la forme de modèles génériques à paramétrer avec simulation associée).

Fonctions remplies :

Les étapes à suivre pour développer un modèle de simulation sont :

l'analyse du système : caractériser physiquement la source accidentelle (erreur humaine, dysfonctionnement, fuite, incendie...),
la définition de conditions de mise en oeuvre du scénario,
l'étude de l'enchaînement des effets,
l'évaluation comparée des différents concepts disponibles.

Dans le cas de processus industriels, la simulation préalable permet d'envisager un grand nombre de situations normales ou accidentelles. Elle doit aussi permettre, à l'extrême, de connaître les conséquences de l'imprévisible. Elle intervient fortement dans la recherche et l'amélioration des techniques.

La finalité de cette technologie est de contribuer à une définition pertinente des objectifs en termes de coûts, délais et performances, et de renforcer la probabilité, d'atteindre les résultats souhaités, au regard des événements susceptibles d'en affecter le déroulement.

Environnement technologique

Technologies concurrentes :

La simulation n'est pas le seul outil disponible pour l'analyse des systèmes. Elle est utilisée quand le système étudié est trop complexe pour être analysé ou lorsque les techniques classiques sont trop coûteuses. Les technologies concurrentes à la simulation sont :

les maquettes
les essais en grandeur réelle

Les méthodes et techniques de management de projet et d'assurance qualité y contribuent dans une certaine mesure.

Evolutions technologiques :

Les modèles d'amélioration de fiabilité et de simulation de risques sont de plus en plus complexes. La création de programmes tridimensionnels tenant compte de la présence du monde réel est l'une des caractéristiques principales de l'évolution technologique vers la complexité. L'un des enjeux consiste à augmenter la puissance des calculateurs, en recourant à des codes de calculs adaptés à de nouvelles architectures, notamment sur des machines parallèles. L'essor de cette technologie dépend également de l'évolution des connaissances, dans les domaines de la modélisation des phénomènes mis en jeu, notamment dans la capacité à maîtriser la représentation des conditions aux limites.

Programmes de recherche :

Les programmes de recherche s'orientent fortement vers le facteur humain et sur l'effet Kirkendal (appréhension très fine du domaine réel d'application et des incertitudes aux limites). L'Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire (IPSN), étudie l'effet Kirkendal depuis quelques années, tandis que cet organisme a créé le premier laboratoire d'études sur le facteur humain en 1965.

Pour les industries chimiques, pétrochimiques , ... : les programmes de recherche portent en particulier sur :

le développement des connaissances et des performances des schémas numériques,
la modélisation des phénomènes physiques tels que la combustion (front de flamme), la décomposition, les écoulements diphasiques, la mécanique multiphysiques, ...,
le développement et la propagation de l'onde de pression : passage du régime de la déflagration à la détonation, la formation et la dispersion des fumées d'incendie, la mécanique des corps déformables en fluide compressible.