L’utilisation de nouvelles technologies au sein des systèmes relatifs à la sécurité soulève des problèmes en termes de maîtrise des risques technologiques, et il est nécessaire de disposer d’outils d’évaluation probabiliste adaptés à la complexité accrue de ces systèmes. Les travaux présentés dans ce mémoire apportent des contributions à l’évaluation de la sûreté de fonctionnement des systèmes de sécurité, et en particulier des capteurs-transmetteurs à fonctionnalités numériques qui combinent l’acquisition de données avec des fonctions avancées de traitement et de transmission de l’information. L’objectif est d’étendre les méthodes de modélisation de la sûreté de fonctionnement, afin de mieux prendre en compte les diverses interactions et les comportements dynamiques mis en jeu par ces systèmes. Le premier modèle proposé permet de représenter les aspects fonctionnels et matériels d’un système de sécurité, les défauts et défaillances, ainsi que les diverses relations entre éléments. Cette modélisation sert de support à des analyses de fiabilité et à des analyses d’incertitudes liées aux paramètres et au modèle. Une seconde contribution considère les capteurs-transmetteurs comme éléments de systèmes de contrôle-commande et vise à modéliser les interactions entre ces capteurs-transmetteurs, celles avec d’autres éléments du système, ainsi qu’avec le processus contrôlé, dans une approche de fiabilité dynamique

L’incorporation des instruments intelligents dans les boucles de sécurité nous mène vers une sécurité intelligente et les systèmes deviennent des « systèmes instrumentés de sécurité à intelligence distribuée (SISID) ». La justification de l’usage de ces instruments dans les applications de sécurité n’est pas complètement avérée. L’évaluation de la sûreté de fonctionnement de ce type de systèmes n’est pas triviale. Dans ce travail, la modélisation et l'évaluation des performances relatives à la sûreté de fonctionnement des systèmes instrumentés de sécurité (SIS) sont traitées pour des structures intégrant de l’intelligence dans les instruments de terrain. La méthodologie que nous utilisons consiste en la modélisation de l’aspect fonctionnel et dysfonctionnel de ces systèmes en adoptant le formalisme basé sur les réseaux de Petri stochastiques qui assurent la représentation du comportement dynamique de ce type de systèmes. La modélisation est traitée sous la forme d’une approche stochastique utilisant les réseaux d’activité stochastiques SAN (Stochastic Activity Network). L’introduction d’indicateurs de performances permet de mettre en évidence l’effet de l’intégration des niveaux d’intelligence dans les applications de sécurité. La méthode de Monte Carlo est utilisée pour évaluer les paramètres de sûreté de fonctionnement des SIS en conformité avec les normes de sécurité relatives aux systèmes instrumentés de sécurité (CEI 61508 et CEI 61511). Nous avons proposé une méthode et les outils associés pour approcher cette évaluation par simulation et ainsi apporter une aide à la conception des systèmes instrumentés de sécurité (SIS) intégrant quelques fonctionnalités des instruments intelligents

La recherche de solutions analytiques pour l'évaluation de la fiabilité en contexte dynamique n'est pas résolue dans le cas général. Un état de l'art présenté dans le chapitre 1 montre que des approches partielles relatives à des hypothèses particulières existent. La simulation de Monte Carlo serait le seul recours, mais il n'existait pas d'outils performants permettant la simulation simultanée de l'évolution discrète du système et de son évolution continue prenant en compte les aspects probabilistes. Dans ce contexte, dans le chapitre 2, nous introduisons le concept d'automate stochastique hybride capable de prendre en compte tous les problèmes posés par la fiabilité dynamique et d'accéder à l'évaluation des grandeurs de la sûreté de fonctionnement par une simulation de Monte Carlo implémentée dans l'environnement Scilab-Scicos. Dans le chapitre 3, nous montrons l'efficacité de notre approche de simulation pour l'évaluation de la sûreté de fonctionnement en contexte dynamique sur deux cas test dont un est un benchmark de la communauté de la Sûreté de Fonctionnement. Notre approche permet de répondre aux problèmes posés, notamment celui de la prise en compte de l'influence de l'état discret, de l'état continu et de leur interaction dans l'évaluation probabiliste des performances d'un système dans lequel en outre, les caractéristiques fiabilistes des composants dépendent eux-mêmes des états continu et discret. Dans le chapitre 4, nous donnons une idée de l'intérêt du contrôle par supervision comme moyen de la sûreté de fonctionnement. Les concepts d'automate observateur et de contrôleur ont été introduits et illustrés sur notre cas test afin de montrer leur potentialité

Ce manuel de fiabilité appliquée offre au lecteur une vision à peu près exhaustive des méthodes de modélisation et d’évaluation de la Sûreté de Fonctionnement des systèmes, avec leurs domaines d’application et limites éventuelles. Il traite également de l’optimisation des systèmes ainsi que d’autres pistes d’amélioration prometteuses telles que le dimensionnement probabiliste ou le Health monitoring. Il rappelle les fondements des probabilités et statistiques afin de limiter les prérequis aux notions mathématiques élémentaires.

L'introduction de systèmes instrumentés dédiés aux applications de sécurité impose l'évaluation de leur sûreté de fonctionnement. On utilise généralement pour cela les bases de données de fiabilité génériques. Cependant, le retour d'expérience pour ces systèmes qui présentent en général des défaillances rares est insuffisant pour valider les résultats obtenus. En outre, la collecte de données de fiabilité et leur extrapolation à d'autres composants introduisent des incertitudes. Les travaux de cette thèse portent sur la problématique de la prise en compte des incertitudes relatives aux données de fiabilité des composants pour l'évaluation de la sûreté de fonctionnement des systèmes par le formalisme des sous ensembles flous. La méthodologie proposée est appliquée à l'évaluation des probabilités de défaillance des Systèmes Instrumentés de Sécurité (SIS) en présence de données de fiabilité imprécises. Nous introduisons deux nouveaux facteurs d'importance pour aider le concepteur. En outre, nous proposons une méthodologie d'aide à la conception des SIS basée sur la modélisation par réseaux de fiabilité et l'optimisation par des algorithmes génétiques de la structure des SIS pour le respect des niveaux d'intégrité de sécurité (SIL) exigés.

LE SUJET DE LA THESE SE SITUE DANS LE CADRE DE LA MODELISATION ET L'EVALUATION DE LA SURETE DE FONCTIONNEMENT DES SYSTEMES, NOTAMMENT INFORMATIQUES ET DE COMMUNICATION. DANS UNE PREMIERE PARTIE DU TRAVAIL, NOUS NOUS INTERESSONS AUX SYSTEMES COMBINATOIRES. COMME L'EVALUATION EXACTE APPARTIENT AUX PROBLEMES NP-DURS, NOUS CONSIDERONS L'ESTIMATION DE LA FIABILITE PAR DES TECHNIQUES DE MONTE CARLO. DANS CE CONTEXTE NOUS PRESENTONS UNE FAMILLE D'ALGORITHMES (APPELES ALGORITHMES DE REDUCTION RECURSIVE DE LA VARIANCE) QUI PERMETTENT D'OFFRIR, EN UN TEMPS FIXE, UNE ESTIMATION PLUS PRECISE QUE CELLE DONNEE PAR UNE SIMULATION STANDARD. L'UN DES PROBLEMES QUI SE PRESENTENT LORS DE LA CONCEPTION D'UN RESEAU DE COMMUNICATION EST DE DEFINIR SA TOPOLOGIE DE FACON A ASSURER, ENTRE AUTRE, UNE FIABILITE MAXIMALE DANS LES COMMUNICATIONS. NOUS EMPLOYONS LES TECHNIQUES D'EVALUATION DE LA FIABILITE AU SEIN D'UN ALGORITHME DE RECUIT SIMULE POUR ABORDER CE PROBLEME D'OPTIMISATION. LA DEUXIEME PARTIE DE LA THESE EST CONSACREE A L'ETUDE DES SYSTEMES MARKOVIENS. LA GENERATION DU PROCESSUS DE MARKOV SOUS-JACENT AU MODELE D'UN SYSTEME EST UN PROBLEME IMPORTANT DANS LE CONTEXTE DE L'EVALUATION DE LA SURETE DE FONCTIONNEMENT. NOUS PRESENTONS UNE BIBLIOTHEQUE DE MODELISATION ET D'EVALUATION DE SYSTEMES MARKOVIENS, QUI PERMET LE TRAITEMENT DE SYSTEMES EVOLUANT EN TEMPS CONTINU ET EN TEMPS DISCRET. CETTE BIBLIOTHEQUE FOURNIT COMME NOTION DE BASE LE FORMALISME DE BOULES ET URNES, ET ELLE PERMET L'INCORPORATION D'AUTRES FORMALISMES DE PLUS HAUT NIVEAU. NOUS CONSIDERONS AUSSI LES TECHNIQUES DE SIMULATION ET DANS CE CONTEXTE NOUS PROPOSONS UNE METHODE DE REDUCTION RECURSIVE DE LA VARIANCE POUR L'EVALUATION DES MESURES TRANSITOIRES DE LA SURETE DE FONCTIONNEMENT

La norme CEI 61508 est le texte de référence dans le domaine de la sécurité fonctionnelle. Les systèmes instrumentés de sécurité (SIS) sont au cœur de cette norme. Notre travail a consisté à analyser les cinq concepts fondamentaux de cette norme que sont les modes de fonctionnement des SIS, dénommés « faible demande » et « demande continue ou élevée », ainsi que leurs attributs respectifs connus sous les noms de « probabilité moyenne de défaillance à la demande (PFDmoy) » et de « probabilité de défaillance par heure (PFH) ». Le cinquième concept renvoyant à la relation étroite existant, selon la norme, entre le facteur de réduction du risque apporté par un SIS (RRF) et le niveau d’intégrité de sécurité (SIL) qui lui est associé. Nous proposons une nouvelle interprétation des quatre premiers concepts et une certaine remise en cause du cinquième et de la notion de proportion de défaillance en sécurité (SFF). Nous avons de plus proposé deux démonstrations des formules analytiques présentées dans la norme en précisant leur domaine de validité et étudié l’influence des défaillances intempestives d’un SIS sur la fréquence des accidents qu’il est chargé de prévenir.