L'analyse fonctionnelle et structurelle

L'analyse fonctionnelle est une démarche qui vise à identifier, caractériser, classer et hiérarchiser les fonctions qu'un produit ou un service doit assurer pour satisfaire les besoins de ses utilisateurs. Elle se concentre sur le "quoi faire" avant le "comment faire".

Objectifs principaux :

• Comprendre le besoin réel : S'assurer que le produit correspond aux attentes de l'utilisateur.
• Éviter les erreurs de conception : Ne pas concevoir un produit qui ne répondrait pas au problème posé.
• Optimiser les coûts : En se concentrant sur les fonctions essentielles, on évite le sur-dimensionnement ou l'ajout de fonctions inutiles.
• Faciliter la communication : Fournir un langage commun entre les différentes parties prenantes (ingénieurs, clients, marketeurs).
• Guider la conception : Servir de base pour la phase de conception détaillée.

Key Concepts:

• Besoin et fonction d'usage : Le besoin est une nécessité ou un désir qu'un produit doit satisfaire. La fonction d'usage est l'action spécifique que le produit doit réaliser pour répondre à ce besoin. Par exemple, le besoin est "se déplacer", la fonction d'usage pour un vélo est "transporter une personne d'un point A à un point B".
• Cycle de vie d'un produit : L'analyse fonctionnelle s'insère dès le début du cycle de vie du produit (phase d'étude préliminaire et de conception). Elle influence toutes les étapes ultérieures, de la fabrication à la maintenance et au recyclage.
• Méthodologie de conception : L'analyse fonctionnelle est une étape clé de toute méthodologie de conception (ex: cycle en V, spirale, agile). Elle précède l'analyse structurelle.

Pour bien comprendre un système, il est essentiel de distinguer les différents types de fonctions qu'il remplit.

Key Concepts:

• Fonctions de service (FS) : Ce sont les fonctions perçues par l'utilisateur. Elles décrivent ce que le produit fait pour l'utilisateur ou pour son environnement. Elles sont définies par rapport au besoin.
  • Fonction Principale (FP) : La raison d'être du produit, la fonction pour laquelle il a été créé. Elle répond directement au besoin exprimé. Un seul produit peut avoir plusieurs FP si elles sont de même niveau d'importance.
  • Fonctions Contraintes (FC) : Elles décrivent les exigences ou les limitations que le produit doit respecter, souvent liées à l'environnement, à la sécurité, à l'esthétique, aux normes, au coût, etc. Elles ne participent pas directement à la satisfaction du besoin principal mais conditionnent l'acceptabilité du produit.
  • Exemple : Pour un smartphone :
    • FP : Permettre à l'utilisateur de communiquer à distance.
    • FC : Être léger, avoir une autonomie de batterie suffisante, être résistant aux chocs, être esthétique, être compatible avec les réseaux 5G.
• Fonctions techniques (FT) : Ce sont les fonctions internes au produit qui permettent de réaliser les fonctions de service. Elles décrivent "comment" le produit fonctionne. Elles ne sont pas directement perçues par l'utilisateur.
  • Exemple : Pour un smartphone :
    • FT : Traiter le signal audio, convertir le signal analogique en numérique, stocker des données, gérer l'alimentation électrique.
• Hiérarchisation des fonctions : Il est crucial de classer les fonctions par ordre d'importance pour guider les choix de conception. On privilégiera toujours la réalisation de la fonction principale, puis les fonctions contraintes les plus critiques, avant d'optimiser les fonctions secondaires.

Le diagramme Bête à Cornes est un outil simple et efficace pour exprimer clairement le besoin auquel le produit doit répondre. Il est la première étape pour formaliser l'analyse fonctionnelle.

Sa structure est la suivante :

À QUI le produit REND-IL SERVICE ?
          |
          V
         PRODUIT
          |
          V
SUR QUOI le produit AGIT-IL ?

Key Concepts:

• Identification du besoin : Le diagramme permet de formuler le besoin de manière synthétique, en répondant à trois questions fondamentales :
  1. À qui le produit rend-il service ? (L'utilisateur, l'opérateur, l'environnement...)
  2. Sur quoi le produit agit-il ? (La matière d'œuvre, l'information, l'énergie...)
  3. Dans quel but le produit agit-il ? (La finalité, la fonction principale)
• Acteur principal : C'est l'utilisateur ou l'entité qui bénéficie de la fonction du produit. C'est le "À QUI".
• Matière d'œuvre : C'est ce que le produit transforme, modifie, transporte ou traite. C'est le "SUR QUOI".
  • Matière d'œuvre entrante : Matière à transformer.
  • Matière d'œuvre sortante : Matière transformée.
  • Exemple : Pour une machine à café :
    • Acteur principal : L'utilisateur (l'amateur de café)
    • Matière d'œuvre entrante : Eau froide, café moulu (ou dosette)
    • Matière d'œuvre sortante : Café chaud

Exemple d'un diagramme Bête à Cornes pour un stylo :

   Utilisateur
        |
        V
     Stylo
        |
        V
     Surface

But : Permettre à l'utilisateur d'écrire sur une surface.

Le diagramme Pieuvre (aussi appelé diagramme d'environnement ou Graphes des Interactions du Système - GIS) est un outil graphique qui permet d'identifier et de visualiser les interactions entre le produit et son environnement. Il aide à lister les fonctions de service.

Méthodologie :

1. Placer le produit au centre du diagramme.
2. Identifier tous les éléments de l'environnement avec lesquels le produit interagit (utilisateur, énergie, autres systèmes, normes, etc.).
3. Tracer des liens entre le produit et chaque élément de l'environnement.
4. Qualifier chaque lien par une fonction de service (FP ou FC).

Key Concepts:

• Fonctions principales (FP) : Elles sont généralement représentées par des flèches doubles ou des traits épais. Elles relient le produit à au moins deux éléments du milieu extérieur et expriment la raison d'être du produit.
  • Exemple : Pour un vélo, FP1 : Transporter l'utilisateur. (Lien entre vélo, utilisateur et destination).
• Fonctions contraintes (FC) : Elles sont représentées par des flèches simples ou des traits fins. Elles relient le produit à un seul élément du milieu extérieur et expriment des exigences ou des contraintes.
  • Exemple : Pour un vélo, FC1 : Être maniable (Lien entre vélo et utilisateur). FC2 : Résister aux intempéries (Lien entre vélo et intempéries).
• Interactions avec l'environnement : Le diagramme met en évidence tous les éléments externes qui influencent le produit ou que le produit influence. Cela inclut les utilisateurs, les autres systèmes, l'énergie, l'information, les normes, l'esthétique, le budget, etc.

Exemple de diagramme Pieuvre pour un smartphone :

• Produit au centre : Smartphone

• Éléments de l'environnement :

  • Utilisateur
  • Réseau de communication
  • Applications
  • Source d'énergie (chargeur)
  • Environnement (météo, chocs)
  • Normes (sécurité, compatibilité)
  • Budget (coût d'achat)

• Fonctions de service possibles :

  • FP1 : Permettre à l'utilisateur de communiquer (avec l'utilisateur et le réseau)
  • FP2 : Permettre à l'utilisateur d'accéder à des informations et services (avec l'utilisateur et les applications/réseau)
  • FC1 : Être esthétique (avec l'utilisateur)
  • FC2 : Avoir une autonomie suffisante (avec la source d'énergie)
  • FC3 : Être résistant (avec l'environnement)
  • FC4 : Respecter les normes de sécurité (avec les normes)
  • FC5 : Être d'un coût abordable (avec le budget)

Le Cahier des Charges Fonctionnel (CdCF) est un document qui formalise l'ensemble des fonctions de service (principales et contraintes) d'un produit, ainsi que leurs critères d'appréciation et leurs niveaux d'exigence. C'est un document de référence pour la conception.

Key Concepts:

• Expression du besoin : Le CdCF débute par une expression claire et concise du besoin, souvent issue du diagramme Bête à Cornes.
• Critères d'appréciation : Pour chaque fonction, on définit des critères qui permettent de mesurer si la fonction est remplie. Ce sont des paramètres quantifiables ou qualifiables.
  • Exemple pour la fonction "Être léger" pour un smartphone :
    • Critère : Masse.
• Niveaux d'exigence : Pour chaque critère, on spécifie un ou plusieurs niveaux d'exigence. Ces niveaux peuvent être :
  • Minimum/Maximum : Le produit doit faire au moins ou au plus telle valeur. (Ex: Masse $\le 200g$)
  • Idéal : La valeur souhaitée si toutes les contraintes étaient levées. (Ex: Masse $= 150g$)
  • Tolérance : Une fourchette acceptable. (Ex: Masse entre $150g$ et $200g$)
  • Exemple pour la fonction "Être léger" pour un smartphone :
    • Niveau d'exigence : Masse maximale 200g, masse idéale 150g.
• Validation des critères : Il est essentiel que les critères soient mesurables, réalistes et pertinents.

La flexibilité indique l'importance du niveau d'exigence (F1 = faible, F2 = moyenne, F3 = importante, F4 = impérative).

Pour s'assurer d'avoir identifié toutes les fonctions pertinentes, diverses méthodes peuvent être utilisées.

Key Concepts:

• Brainstorming : Technique de groupe visant à générer un maximum d'idées (fonctions) dans un temps limité, sans jugement critique initial. Utile pour la créativité et la découverte de fonctions inattendues.
• Analyse de la valeur : Méthode qui vise à améliorer la valeur d'un produit en optimisant le rapport entre ses fonctions et son coût. Elle implique une évaluation critique des fonctions existantes ou envisagées pour ne retenir que celles qui apportent une valeur réelle à l'utilisateur.
• Analyse des produits existants (benchmark) : Étude des produits concurrents ou similaires pour identifier les fonctions qu'ils offrent, leurs performances et leurs lacunes. Permet de s'inspirer, d'éviter des erreurs et de se différencier.
• Entretiens et questionnaires utilisateurs : Interroger directement les futurs utilisateurs pour comprendre leurs attentes, leurs habitudes et leurs frustrations.

La validation est une étape cruciale pour s'assurer que le CdCF est complet, clair et qu'il correspond bien aux attentes.

Key Concepts:

• Relecture et approbation : Le CdCF doit être relu et approuvé par toutes les parties prenantes (client, équipe de conception, marketing, production). C'est un document contractuel.
• Traçabilité des exigences : Il est fondamental de pouvoir remonter de chaque fonction à son origine (besoin, contrainte) et de chaque composant du produit à la fonction qu'il réalise. Cela permet de vérifier la conformité et de gérer les modifications.
• Évolution du CdCF : Le CdCF n'est pas figé. Il peut évoluer au cours du projet en fonction des découvertes, des contraintes techniques ou des changements de besoin. Chaque modification doit être documentée et validée.

La décomposition fonctionnelle consiste à identifier les différentes fonctions techniques internes nécessaires pour réaliser les fonctions de service.

Key Concepts:

• Fonctions techniques (FT) : Ce sont les actions que le système ou un de ses sous-systèmes doit réaliser pour assurer les fonctions de service. Elles sont axées sur les solutions techniques.
  • Exemple : Pour la FP "Permettre à l'utilisateur de communiquer" d'un smartphone, des FT pourraient être "Convertir la voix en signal électrique", "Traiter et encoder le signal", "Émettre le signal radio".
• Arbre des fonctions : C'est une représentation hiérarchique des fonctions, partant des fonctions de service (FS) au sommet, puis les décomposant en fonctions techniques (FT) de plus en plus détaillées.
  • FP1
    • FT1.1
      • FT1.1.1
      • FT1.1.2
    • FT1.2
• Lien FS-FT : Il est essentiel de maintenir une traçabilité entre les fonctions de service et les fonctions techniques. Chaque FT doit contribuer à la réalisation d'une ou plusieurs FS.

Le diagramme FAST est un outil graphique qui représente la logique de réalisation des fonctions. Il part des fonctions de service et descend vers les fonctions techniques, en posant les questions "Comment ?" et "Pourquoi ?".

Structure du diagramme FAST :

• De gauche à droite : COMMENT ? Chaque fonction est décomposée en fonctions de niveau inférieur qui expliquent comment elle est réalisée.
• De droite à gauche : POURQUOI ? Les fonctions de niveau inférieur expliquent pourquoi la fonction de niveau supérieur est nécessaire.
• De haut en bas : QUAND ? Les fonctions situées sous une autre fonction sont exécutées quand la fonction du dessus est activée (simultanéité).

Key Concepts:

• Logique de réalisation des fonctions : Le FAST met en évidence les liens logiques et hiérarchiques entre les fonctions.
• Fonctions de service et fonctions techniques : Le diagramme commence par les FS à gauche et se développe vers les FT de plus en plus spécifiques à droite.
• Moyens et solutions : Au fur et à mesure que l'on descend dans la décomposition, on se rapproche des solutions techniques concrètes (composants, technologies).

Exemple simplifié de FAST pour la fonction "Transporter l'utilisateur" d'un vélo :

FP1 : Transporter l'utilisateur
  |
  |-- COMMENT ? --> FT1.1 : Propulser le vélo
  |                   |
  |                   |-- COMMENT ? --> FT1.1.1 : Transmettre l'effort du cycliste
  |                   |                   |
  |                   |                   |-- COMMENT ? --> FT1.1.1.1 : Appliquer une force sur la pédale (par l'utilisateur)
  |                   |                   |
  |                   |                   |-- COMMENT ? --> FT1.1.1.2 : Transformer le mouvement linéaire en rotation (pédalier)
  |                   |                   |
  |                   |                   |-- COMMENT ? --> FT1.1.1.3 : Transmettre la rotation à la roue arrière (chaîne, pignons)
  |                   |
  |                   |-- COMMENT ? --> FT1.1.2 : Adhérer au sol (pneus)
  |
  |-- COMMENT ? --> FT1.2 : Diriger le vélo
  |                   |
  |                   |-- COMMENT ? --> FT1.2.1 : Orienter la roue avant (guidon, fourche)
  |
  |-- COMMENT ? --> FT1.3 : Freiner le vélo
                      |
                      |-- COMMENT ? --> FT1.3.1 : Dissiper l'énergie cinétique (freins)

Le diagramme SADT est une méthode de modélisation graphique qui permet de décrire le fonctionnement d'un système de manière hiérarchique, en mettant en évidence ses entrées, sorties, mécanismes et supports.

Key Concepts:

• Actigramme (A-0, A0) : Un actigramme est une boîte qui représente une fonction ou une activité.
  • A-0 : Le niveau le plus haut, représentant le système global.
  • A0 : Le premier niveau de décomposition de l'A-0.
• Entrées (Input) : Ce qui est consommé ou transformé par la fonction (généralement la matière d'œuvre entrante). Placées à gauche de la boîte.
• Sorties (Output) : Ce qui est produit par la fonction (généralement la matière d'œuvre sortante). Placées à droite de la boîte.
• Mécanismes (Mechanism) : Les ressources nécessaires pour réaliser la fonction (composants, outils, énergie, personnel). Placés en bas de la boîte.
• Supports (Control) : Les informations ou contraintes qui pilotent ou régulent la fonction (ordres, règles, normes, données). Placées en haut de la boîte.
• Décomposition hiérarchique : Chaque boîte peut être décomposée en un nouveau diagramme montrant des fonctions plus détaillées. Par exemple, l'actigramme A0 est la décomposition de l'A-0.

Exemple d'Actigramme A-0 pour un système "Fabriquer un objet" :

        Contraintes (Normes, Cahier des charges)
               |
               V
Matière première --> [                 ] --> Objet fabriqué
               |     [   Fabriquer   ]
               V     [   un objet    ]
       Énergie, Outils, Personnel

La modélisation structurelle permet de représenter l'agencement physique des composants d'un système.

Key Concepts:

• Système, sous-système, composant :
  • Système : L'ensemble étudié (ex: un vélo).
  • Sous-système : Une partie du système qui réalise une ou plusieurs fonctions spécifiques et peut être étudiée de manière relativement autonome (ex: le système de freinage du vélo).
  • Composant : L'élément le plus simple et indivisible dans le contexte de l'étude (ex: une plaquette de frein).
• Frontières du système : La limite imaginaire qui sépare le système de son environnement. Tout ce qui est à l'extérieur est considéré comme l'environnement.
• Interfaces : Les zones ou points de contact par lesquels le système interagit avec son environnement ou avec d'autres sous-systèmes. Elles peuvent être physiques (raccordement), énergétiques (transfert de puissance), informationnelles (échange de données).

Le Diagramme de Blocs Internes (DBI), ou diagramme bloc fonctionnel (attention, ce n'est pas le SBF), est une représentation graphique des constituants physiques d'un système et de leurs interconnexions. Il montre la structure matérielle.

Key Concepts:

• Représentation des constituants : Chaque bloc représente un composant physique ou un sous-système.
• Flux d'énergie, de matière, d'information : Les flèches entre les blocs représentent les échanges (flux) qui circulent entre les constituants.
  • Flux d'énergie : Électricité, mouvement mécanique, chaleur, etc.
  • Flux de matière : Fluides, solides, gaz, etc.
  • Flux d'information : Signaux électriques, données numériques, commandes.
• Interconnexions : Le DBI visualise comment les différents éléments sont reliés entre eux pour former le système global.

Exemple de DBI simplifié pour un système d'arrosage automatique :

[ Capteur d'humidité ] --(Information)--> [ Unité de contrôle ] --(Commande)--> [ Pompe ] --(Eau)--> [ Arroseurs ]
                                                                                   ^
                                                                                   | (Énergie)
                                                                                   V
                                                                                [ Source d'énergie ]

Le Schéma Bloc Fonctionnel (SBF) est une représentation schématique des fonctions internes du système, en se concentrant sur les chaînes d'information et d'énergie. Il est plus abstrait que le DBI car il représente des fonctions, pas des composants.

Key Concepts:

• Représentation des fonctions : Chaque bloc représente une fonction technique (ex: acquérir, traiter, agir, distribuer).
• Chaîne d'information : Décrit comment l'information est acquise, traitée et distribuée dans le système.
  • Acquérir : Capter des informations de l'environnement (capteurs).
  • Traiter : Interpréter, calculer, prendre des décisions (microcontrôleur, automate).
  • Communiquer : Transmettre des informations (bus de données, réseau).
• Chaîne d'énergie : Décrit comment l'énergie est distribuée, convertie et transformée pour réaliser une action.
  • Alimenter : Fournir l'énergie nécessaire (batterie, alimentation secteur).
  • Distribuer : Acheminer l'énergie vers les actionneurs.
  • Convertir : Transformer une forme d'énergie en une autre (moteur électrique -> énergie mécanique).
  • Transmettre : Transférer l'énergie (engrenages, courroies).
  • Agir : Réaliser l'action physique (vérin, moteur, électrovanne).

Exemple de SBF pour un portail automatique :

Chaîne d'information :
[ Acquérir (présence voiture) ] --> [ Traiter (ouvrir/fermer) ] --> [ Communiquer (ordre moteur) ]

Chaîne d'énergie :
[ Alimenter (secteur) ] --> [ Distribuer (vers moteur) ] --> [ Convertir (électrique en mécanique) ] --> [ Transmettre (engrenages) ] --> [ Agir (déplacer portail) ]

Le schéma cinématique est une représentation graphique simplifiée d'un mécanisme, montrant les pièces en mouvement et les liaisons entre elles. Il est essentiel en mécanique pour analyser les mouvements.

Key Concepts:

• Liaisons mécaniques : Elles décrivent la manière dont deux pièces sont assemblées et limitent leurs mouvements relatifs. Chaque liaison est caractérisée par les degrés de liberté qu'elle supprime.
  • Exemples de liaisons : Pivot (rotation), glissière (translation), rotule (rotation 3 axes), encastrement (aucune liberté).
• Degrés de liberté : Dans l'espace, un corps rigide possède 6 degrés de liberté (3 translations selon X, Y, Z et 3 rotations autour de X, Y, Z). Une liaison supprime certains de ces degrés de liberté.
  • Ex: Une liaison pivot supprime 5 degrés de liberté (3 translations, 2 rotations), laissant une seule rotation libre.
• Mouveements relatifs : Le schéma cinématique permet de visualiser les mouvements possibles entre les différentes pièces et de comprendre le fonctionnement du mécanisme.

Représentation graphique : Les pièces sont représentées par des formes simplifiées, et les liaisons par des symboles normalisés.

C'est l'étape où l'on traduit les fonctions définies dans le CdCF en solutions techniques concrètes.

Key Concepts:

• Allocation des fonctions aux composants : Chaque fonction technique identifiée doit être attribuée à un ou plusieurs composants physiques du système. C'est la phase de choix des solutions technologiques.
  • Ex: La fonction "Transmettre l'effort" (FT) sera réalisée par un "Ensemble chaîne-pignons" (composant).
• Choix technologiques : Sélection des technologies, des matériaux, des principes physiques qui permettront de réaliser les fonctions. Ces choix sont guidés par les niveaux d'exigence du CdCF, les coûts, la faisabilité, la fiabilité, etc.
• Compromis de conception : Il est rare qu'une solution unique soit parfaite. Les ingénieurs doivent faire des compromis entre différentes exigences (coût, performance, taille, poids, esthétique, etc.). Par exemple, une solution très performante peut être trop coûteuse.

Une fois les choix structurels faits, il est essentiel de vérifier qu'ils répondent bien aux fonctions définies.

Key Concepts:

• Adéquation des solutions aux fonctions : S'assurer que chaque composant ou sous-système réalise bien la fonction qui lui a été attribuée et qu'il respecte les niveaux d'exigence du CdCF.
• Boucle de rétroaction : Le processus n'est pas linéaire. Les contraintes techniques découvertes pendant l'analyse structurelle peuvent amener à revoir certaines fonctions ou leurs niveaux d'exigence dans le CdCF. C'est une démarche itérative.
• Optimisation : Rechercher la meilleure solution possible en termes de performance, coût, fiabilité, etc., tout en respectant le CdCF.

Ces analyses ont des répercussions majeures sur toutes les étapes du développement.

Key Concepts:

• Spécifications techniques : Les fonctions et les structures détaillées servent de base à la rédaction des spécifications techniques pour la fabrication, l'assemblage et les tests.
• Plan de validation : Les critères d'appréciation et les niveaux d'exigence du CdCF sont directement utilisés pour définir les tests à effectuer afin de valider le produit.
• Gestion de projet : Une bonne analyse fonctionnelle et structurelle permet de mieux estimer les coûts, les délais et les ressources nécessaires, facilitant ainsi la planification et le suivi du projet.
• Maintenance et évolution : Un système bien documenté fonctionnellement et structurellement est plus facile à maintenir, à diagnostiquer en cas de panne et à faire évoluer dans le futur.

En résumé, l'analyse fonctionnelle définit ce que le produit doit faire, tandis que l'analyse structurelle décrit comment il est fait. Les deux sont intrinsèquement liées et essentielles pour une conception réussie en Sciences de l'Ingénieur.