Après une première introduction à la cybersécurité des systèmes industriels proposée à l’ouverture de ce dossier, nous nous concentrons ici sur une application d’automatisme industriel avec OPC UA et sur la sécurité des objets connectés avec une attention particulière portée sur les protocoles utilisés pour le LoRaWAN et le ZigBee L’article d’application pratique de OPC UA est proposé par Louis Lalay et Anthony Juton. Il décrit la simulation d’un système de château d’eau dialoguant en OPC UA avec le superviseur. Cette étude réalisée à l’aide d’un nano-ordinateur Raspberry Pi 4 bon marché peut aisément être utilisée en TP et permet l’étude d’OPC UA en tant que protocole sécurisé d’automatisme industriel. Les trois articles sur la sécurité des objets connectés, écrits par Maxime Seychehay, permettent de bien comprendre quels sont les outils mis à disposition pour sécuriser les échanges de données. Dans les articles sur le LoRaWAN et sur le ZigBee l’auteur insiste sur les choix importants qu’un développeur d’application IoT doit faire pour assurer la sécurité de son application. Il y aura un dernier volet cybersécurité au troisième trimestre 2024, avec notamment une application pédagogique bluetooth Low Energy sécurisée, toujours écrite par Maxime Seychehay. Il serait intéressant que les personnes ayant des applications cybersécurité à partager proposent leur sujet.

Après la série d’articles d’introduction publiés dans le numéro 111, nous vous proposons ici deux articles d’approfondissement sur le thème de l’électronique de puissance. L’article de Modar Jomaa et de son équipe du Satie, décrit l’application de l’électronique de puissance au problème du dégivrage des ailes d’avion. La solution de dégivrage piézoélectrique proposée dans cet article semble être une alternative efficace et plus économique en termes de coût, masse et encombrement que les technologies traditionnelles. Plusieurs topologies de convertisseurs statiques sont présentées et simulées. Un démonstrateur de la solution retenue a été développé pour valider le choix proposé. L’article d’Adrien Voldoire permet d’approfondir nos connaissances sur la conception des onduleurs de tension, qu’ils soient utilisés pour l’entrainement de machines triphasées ou pour la connexion à des réseaux de distribution ou embarqués. L’analyse comparative de trois dimensionnements permet de comprendre les enjeux sous-tendant le dimensionnement des onduleurs de tension et l’usage de structures multiniveaux.

L’objectif de cette ressource est de présenter une application pratique de OPC UA, utilisant un nano-ordinateur raspberry Pi 4 bon marché (90 euros), pour simuler un système de château d’eau dialoguant en OPC UA avec le superviseur. Ce dispositif facile à dupliquer peut alors être un support pour des travaux pratiques autour du protocole OPC UA (supervision, étude des mécanismes de sécurisation du protocole). L’objectif étant l’étude d’OPC UA en tant que protocole sécurisé d’automatisme industriel, nous avons limité au maximum le besoin de connaissance de Linux et de python.

Cette ressource présente les mécanismes de sécurité existants dans le protocole de communication sans fil LoRaWAN. Il ne s’agit pas d’un rapport complet sur le protocole LoRaWAN et de la technologie de modulation LoRa (déjà présentés dans le numéro 96 [5]) qu’il utilise mais plutôt d’un exposé sur les outils mis à disposition par ce protocole pour sécuriser les échanges de données. On insistera ainsi sur les choix importants qu’un développeur d’application IoT souhaitant utiliser LoRaWAN devra effectuer afin d’assurer la sécurité de son application. Après avoir introduit le protocole LoRaWAN et rappelé son architecture, nous listerons les éléments de sécurité proposés par ce protocole puis nous étudierons dans le détail le mécanisme de connexion d’un nouveau terminal dans un réseau LoRaWAN déjà existant.

Cette ressource présente les mécanismes de sécurité présents dans le protocole de communication sans fil ZigBee. On y rappelle brièvement la structure d’un réseau ZigBee avec les différents éléments le composant avant de détailler les différents éléments qui permettent d’établir des communications sécurisées. Ces éléments mis à disposition par le protocole ne sont toutefois pas obligatoirement utilisés par des fournisseurs de solution ZigBee. On s’attachera donc à proposer des exemples de choix judicieux pour améliorer la sécurité d’un réseau ZigBee.

Les contraintes environnementales, ainsi que leur impact sur l’opinion publique ont conduit les équipementiers aéronautiques à accélérer la transition énergétique en aéronautique à travers l’avion plus électrique. Nous assistons donc à une augmentation progressive de la place de l’énergie électrique dans les applications embarquées. Ceci se traduit par une tendance à remplacer les systèmes non propulsifs (hydrauliques et pneumatiques) par des chaines de conversion électromécanique. Ces sous-systèmes sont en effet souvent plus performants, dynamiques et précis avec des délais de maintenance plus courts que leurs équivalents hydrauliques. Le système de dégivrage est un candidat de choix pour cette transition. Il existe plusieurs méthodes de dégivrage qui varient selon la nature de l’énergie de conversion utilisée. On trouve entre autres le flux d’air, les boudins déformables, le système électrothermique ou ETIPS (Electro-thermal Ice Protection Systems), le fluide chimique et les systèmes électromécaniques (système électro- impulsif, système électromécanique expulsif et système piézoélectrique) [1]. Bien que certaines de ces méthodes de dégivrage soient déjà certifiées et équipent certains avions, elles restent très énergivores et ne sont pas adaptées pour tous les types d’avion. La solution envisagée ici de dégivrage piézoélectrique semble être une alternative efficace et plus économique en termes de coût, masse et encombrement. Cet article expose le fonctionnement d’un système de dégivrage piézoélectrique aéronautique, en particulier ce qui a motivé le choix de son alimentation de puissance. Plusieurs topologies de convertisseurs statiques sont présentées afin de sélectionner la mieux adaptée aux actionneurs piézoélectriques dans le cadre du dégivrage. Une étude par simulation de ces topologies est conduite afin d’identifier les avantages et les inconvénients de chacune d’entre elles pour cette application particulière. Un démonstrateur de la solution retenue a été développé pour valider notre choix.

Cet article résume des considérations essentielles pour la conception des onduleurs de tension, qu’ils soient utilisés pour l’entrainement de machines triphasées ou pour la connexion à des réseaux de distribution ou embarqués. L’électrification massive des usages amenant un besoin d’efficacité énergétique accru, l’utilisation d’une structure d’onduleur classique 2 niveaux est comparée à une structure multiniveau dite Neutral Point Clamped (NPC). La comparaison devant reposer sur des indicateurs de rendement et de densité de puissance, des modèles analytiques sont proposés pour les deux structures. Ces modèles présentent des éléments clés pour le dimensionnement des transistors, diodes, inductances et condensateurs. Finalement, une analyse comparative sur trois dimensionnements permet de comprendre les enjeux sous-tendant le dimensionnement des onduleurs de tension et l’usage de structures multiniveaux.

Cette ressource présente l’apprentissage par renforcement de la conduite sur circuit d’une voiture autonome 1/10 , en simulation, puis le transfert du réseau de neurones du simulateur dans la voiture réelle, en utilisant Webots, gymnasium et Stable-Baselines3. Elle est issue du travail de Kévin Hoarau lors de sa participation à la Course de Voitures Autonomes de Paris Saclay, CoVAPSy 2023 [6], repris et validé par plusieurs équipes en 2024. Le simulateur utilisé, Webots, peu gourmand en ressource et open source, permet à chacun d’expérimenter l’apprentissage par renforcement profond sur cet exemple réaliste, même sans disposer de voiture pour le passage à la réalité. La voiture 1/10ème instrumentée d’un coût modeste (moins de 1000 euros) permet à travers cet exercice d’appréhender le transfert simulation → réalité et les difficultés associées pour une mise en œuvre concrète et matérielle de l’intelligence artificielle. La voiture et le simulateur sont présentés en détails dans les ressources « Course Voitures Autonomes Paris Saclay (CoVAPSy) : Travaux pratiques autour des voitures autonomes » [7], « CoVaPSy : Premiers programmes python sur la voiture réelle » [8] et « CoVaPSy : Mise en œuvre du Simulateur Webots » [9] du numéro 111 de la revue 3EI. La ressource « Apprentissage par renforcement de la conduite d’un véhicule sur AirSim » de Ludovic de Mattteis et Saša Radosalvjevic [3] a servi de point de départ à ce travail. Webots [11] a été préféré à AirSim pour sa légèreté et sa facilité de mise en œuvre et l’expérience acquise précédemment a permis d’aller jusqu’au transfert de la simulation à la réalité.

Bien que largement répandus, les chargeurs de batterie lithium restent difficiles à caractériser et leur qualité sujette à questions. En effet, les caractéristiques des cellules des accumulateurs présentent des disparités relativement importantes fonction de leurs vieillissements et des chimies employées et changent en fonction de l’état de charge et de la température. A cause de ces disparités, l’équilibrage est nécessaire et doit se faire en toute sécurité et à faible coût. Il est alors nécessaire de maitriser cet équilibrage quelle que soit la résistance interne des éléments, l’intensité du courant de charge, la tension d’alimentation du chargeur, la température de fonctionnement. Dans cet article, nous proposons une étude basée sur des simulations qui permet de se faire une idée claire des performances des chargeurs et des améliorations que l’on peut en attendre.

Vous avez été nombreux à consulter le numéro 111 de la revue 3EI sur les sites de Culture Sciences de l’Ingénieur et de la SEE, saluant ainsi sa nouvelle version numérique. Le comité de rédaction se réjouit de ce succès et souhaite que cette dynamique s’amplifie avec l’aide du plus grand nombre. N’hésitez-pas à proposer vos contributions et à diffuser la revue 3EI au public le plus large, par exemple, sur/avec la liste de diffusion renater : https://groupes.renater.fr/sympa/info/revue3ei Dans ce second numéro de l’année 2024, nous vous proposons d’approfondir les thèmes de la « cybersécurité des systèmes industriels » et des « innovations en électronique de puissance ».