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HAL Id: tel-00506040 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00506040 Submitted on 27 Jul 2010 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Méthodologie de conception innovante intégrant la sécurité des utilisateurs : application aux liaisons tracteur-outils Rima Ghemraoui To cite this version: Rima Ghemraoui. Méthodologie de conception innovante intégrant la sécurité des utilisateurs : appli- cation aux liaisons tracteur-outils. Mécanique [physics.med-ph]. École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2009. Français. tel-00506040 N° ENSC-2009-190 THESE DE DOCTORAT DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Présentée par Rima GHEMRAOUI en vue de l’obtention du grade de DOCTEUR DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Domaine : MECANIQUE - GENIE MECANIQUE – GENIE CIVIL Sujet de la thèse : Méthodologie de conception innovante intégrant la sécurité des utilisateurs : application aux liaisons tracteur-outils Thèse présentée et soutenue à Cachan le 17 novembre 2009 devant le jury composé de : Alain BERNARD P.U. - Ecole Centrale de Nantes Rapporteur Elie FADIER D.R. - INRS Rapporteur Christopher A. BROWN Prof. - WPI USA Examinateur Pascal RAY P.U. - IFMA Clermont-Ferrand Examinateur Luc MATHIEU P.U. - Université Paris-Sud XI Directeur de thèse Nicolas TRICOT C.R. - Cemagref Antony Co-encadrant Jean François GOUPILLON Responsable Technique AXEMA Invité Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (ENS CACHAN / Paris-Sud XI / EA 1385) 61, avenue du Président Wilson, 94235 CACHAN CEDEX (France) Remerciements Le travail de recherche exposé dans ce mémoire de thèse a été réalisé dans le cadre d’une convention entre le Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (LURPA – EA 1385) de l'École Normale Supérieure de Cachan et L’Unité de Recherche Technologie pour la Sécurité et les Performances des Agroéquipements (TSAN) du Centre de Recherche du Cemagref d’Antony. Je tiens tout d’abord à remercier les responsables du Cemagref qui m’ont confié et financé ce projet de recherche. Je remercie le Professeur Luc Mathieu, de l’Université Paris-Sud XI, pour avoir assuré la direction et l’encadrement scientifique de mes travaux. Je le remercie également pour son écoute et sa sympathie. Je remercie Monsieur Nicolas Tricot, chargé de recherche au Cemagref, pour sa confiance et sa disponibilité tout au long de ce travail. Je remercie le Professeur Alain Bernard et le Directeur de Recherche Elie Fadier d’avoir accepté d'être rapporteurs de cette thèse. Je remercie également les Professeurs Christopher Brown et Pascal Ray et Monsieur Jean-François Goupillon d’avoir accepté de participer au jury. Merci à celles et ceux qui ont contribués de près ou de loin à la réalisation de ce travail. Je pense particulièrement au Professeur Bernard Anselmetti ainsi que Messieurs Pierre Clavel, Jean-François Billot et Emmanuel Hugo. Merci aux membres du LURPA pour leur accueil et leur sympathie. Merci à tous les membres de l’Unité TSAN qui m’ont côtoyée et aidée durant ces trois années. Je remercie en particulier Laure pour la collocation sympathique partagée, Emilie pour son écoute et ses conseils, Stéphanie et Sonia pour leur écoute, Wided et Sylvain pour leur gentillesse. Merci à Thierry, Lionel, Olivier, Nadjat, Marc, Bernard, Jean-Pierre et tous les autres pour leur bonne humeur. Merci à Graziella, Sarla et Gaby pour leur aide administrative. Un grand merci à mes amis d’ici et d’ailleurs. Merci à Sébastien pour sa patience tout au long de ces trois ans, pour avoir supporté mon humeur et pour m’avoir permis de continuer dans les moments de doute. Enfin, je remercie ma petite famille qui m’a soutenue et encouragée sans faille au cours de toutes mes années passées et qui continue à le faire. A maman… A papa… A mes sœurs et à mon frère… A Sébastien… A mon Liban… … je dédie ce mémoire Vous avez votre Liban avec ses dilemmes. J'ai mon Liban avec sa beauté. Vous avez votre Liban avec tous les conflits qui y sévissent. J'ai mon Liban avec les rêves qui y vivent. Votre Liban est un noeud politique que les années tentent de défaire. Mon Liban est fait de collines qui s'élèvent avec prestance et magnificence vers le ciel azuré. Votre Liban est un gouvernement-pieuvre à nombreux tentacules. Mon Liban est un mont quiet et révéré, assis entre mers et plaines, tel un poète à mi-chemin entre Création et Eternité. Votre Liban est un échiquier entre un chef religieux et un chef militaire. Mon Liban est un temple que je visite dans mon esprit, lorsque mon regard se lasse du visage de cette civilisation qui marche sur des roues. Votre Liban est un homme qui paie tribut et un autre qui le perçoit. Mon Liban est un seul homme, la tête appuyée sur le bras, se prélassant à l'ombre du Cèdre, oublieux de tout, hormis de Dieu et de la lumière du soleil. Extrait de « Vous avez votre Liban, j’ai le mien » de Gibran Khalil Gibran A la mémoire de Pascal… Table des matières Introduction Chapitre I : Contexte et problématique industriels – Les liaisons tracteurs-outils Introduction...............................................................................................................................7 1. Accidentologie importante ...............................................................................................7 2. Réglementation pauvre…...............................................................................................10 3. Présentation des liaisons tracteur-outils.......................................................................11 3.1. Liaisons d’accrochage mécaniques...................................................................................11 3.1.1. Modes d'attelage.....................................................................................................11 3.1.2. Identification des caractéristiques des différentes liaisons d'accrochage...............12 3.1.3. Configurations possibles entre modes d'attelage et liaisons ..................................14 3.2. Liaisons de transmission de puissances ............................................................................16 3.2.1. Transmission mécanique de puissance ..................................................................16 3.2.2. Transmission hydraulique et pneumatique de puissance .......................................16 3.2.3. Transmission électrique de puissance....................................................................17 3.2.4. Spécificités des liaisons de transmission d'énergie................................................17 3.3. Liaisons mécaniques non commercialisées ......................................................................18 Synthèse du chapitre I et objectifs industriels......................................................................19 Chapitre II : Etat de l’art – Sécurité et Conception Introduction.............................................................................................................................23 1. Risque .............................................................................................................................23 1.1. Identification du risque .....................................................................................................24 1.2. Evaluation du risque .........................................................................................................25 1.2.1. Evaluation de la gravité ...........................................................................................25 1.2.2. Evaluation de la probabilité d'occurrence................................................................26 1.2.3. Matrice du risque .....................................................................................................27 2. Evaluation des risques d'un système technique : la Sûreté de fonctionnement........28 2.1. Méthodes de Sûreté de Fonctionnement...........................................................................28 2.1.1. Méthodes inductives ................................................................................................29 2.1.2. Méthodes déductives................................................................................................30 2.2. Indicateurs de la sûreté de fonctionnement..............................................................33 3. Prise en compte de l'humain dans l'évaluation des risques ........................................35 3.1. Ergonomie.........................................................................................................................35 3.1.1. Dimensions corporelles............................................................................................35 3.1.2. Postures possibles ....................................................................................................36 3.1.3. Mouvements du corps..............................................................................................36 3.1.4. Force physique.........................................................................................................37 3.1.5. Capacités mentales...................................................................................................38 3.2. Analyse du retour d'expérience.........................................................................................39 3.2.1. Modélisation de la situation de travail.....................................................................39 3.2.2. Analyse de l'écart entre le prescrit et le réel .............................................................40 3.3. Mesures de sécurité – Notion de barrières........................................................................42 3.3.1. Classification des fonctions des barrières.................................................................42 3.3.2. Classification des systèmes de barrières...................................................................43 3.3.3. Critères de performance des barrières.......................................................................44 3.3.4. Analyse des barrières assistée par ordinateur ...........................................................46 4. Intégration de la sécurité dans les approches de conception ......................................47 4.1. Point de vue ergonomique ................................................................................................47 4.1.1. Intégration de la sécurité par voies "directes"...........................................................47 4.1.2. Intégration de la sécurité par voies "indirectes" .......................................................47 4.1.3. Préconisations des résultats de travaux de recherche sur l'intégration de la sécurité .............................................................................................................................48 4.1.3.1. Aller au delà du savoir technique............................................................................48 4.1.3.2. Favoriser la conception participative......................................................................48 4.1.3.3. Enrichir les phases de la conception en introduisant des critères et des objectifs de sécurité et de santé ....................................................................................................................48 4.1.3.4. Intégrer la sécurité portée par l'organisation des retours d’expériences .................49 4.2. Point de vue mécanique ....................................................................................................49 4.2.1. Point de vue de l'Analyse Fonctionnelle du Besoin..................................................49 4.2.1.1. Description de l'Analyse Fonctionnelle du Besoin................................................49 4.2.1.2. Sécurité et Analyse Fonctionnelle du Besoin ........................................................51 4.2.2. Point de vue de la Théorie de Résolution des Problèmes Inventifs (TRIZ) .............52 4.2.2.1. Description de TRIZ ..............................................................................................52 4.2.2.2. Sécurité et TRIZ.....................................................................................................56 4.2.3. Point de vue du Quality Function Deployment (QFD).............................................58 4.2.3.1. Description du QFD...............................................................................................58 4.2.3.2. Sécurité et le QFD..................................................................................................59 4.2.4. Point de vue de la Conception Axiomatique.............................................................59 4.2.4.1. Description de la Conception Axiomatique...........................................................59 4.2.4.2. Sécurité et Conception Axiomatique .....................................................................63 5. Intégration des méthodes et théories de la conception ................................................65 5.1. Approche systématique.....................................................................................................66 5.2. Intégration de l'Analyse Fonctionnelle et de TRIZ...........................................................68 5.3. Extended Axiomatic Design (EAD) .................................................................................69 5.4. Intégration de TRIZ et de l'AD.........................................................................................70 5.5. Méthode de Conception Intuitive......................................................................................70 6. Problématique Scientifique de la thèse .........................................................................71 Synthèse du Chapitre II..........................................................................................................74 Chapitre III : Proposition d’un modèle d’intégration Sécurité/Conception Introduction.............................................................................................................................77 1. Principes fondamentaux régissant le modèle ...............................................................77 1.1. Principe 1 : Définir les objectifs de la conception des points de vue technique et de sécurité......................................................................................................................................77 1.1.1. Alternative 1.1 : Définir les objectifs techniques......................................................79 1.1.2. Alternative 1.2 : Définir les objectifs de sécurité .....................................................79 1.2. Principe 2 : Conserver l’indépendance des exigences fonctionnelles techniques et de sécurité………………………………………………………………………………………..80 1.2.1. Alternative 2.1 : Conserver l’indépendance des évènements susceptibles de générer un risque………………………....……………………………………………………………80 1.2.2. Alternative 2.2 : Conserver l’indépendance des « Objectifs utilisateurs/ Tâches »...... ...................................................................................................................................................81 1.2.3. Alternative 2.3 : Minimiser l'ajout de paramètres de conception pour les objectifs de sécurité………………………………………………………………………………………..82 1.3. Principe 3 : Minimiser l'incompatibilité entre les caractéristiques humaines et les paramètres de la conception......................................................................................................82 1.3.1. Alternative 3.1 : Minimiser l’incompatibilité « vulnérabilité de l’humain/ grandeurs physiques »................................................................................................................................83 1.3.2. Alternative 3.2 : Minimiser l’incompatibilité « caractéristiques morphologique/ paramètres structurants » ..........................................................................................................83 1.3.3. Alternative uploads/Geographie/ ghemraoui-2009.pdf