FIABILITÉ

FIABILITÉ

À la confiance de l’usager dans l’appareil qu’il utilise ou qui lui est proposé correspond la notion de fiabilité. La définition adoptée par la Commission électrotechnique internationale (C.E.I.) et par la plupart des spécialistes s’énonce en ces termes: «Caractéristique d’un dispositif, exprimée par la probabilité qu’il accomplisse une fonction requise dans des conditions données, pendant une durée donnée.»

Si le vocable est récent, et si la fiabilité est devenue une technique de la plus haute importance, il n’en est pas moins vrai que, de tous temps, les fabricants ont recherché et les utilisateurs ont exigé la sécurité d’emploi des engins de plus en plus perfectionnés qui sont mis en service. Les méthodes permettant d’assurer cette sécurité relevaient plutôt d’un art que d’une technique scientifique; on se contentait le plus souvent de renforcer très largement les pièces que l’on croyait critiques.

À partir du milieu du XX^e siècle sont apparus des équipements de plus en plus complexes, onéreux, pour lesquels les conséquences d’une panne peuvent être considérées comme catastrophiques (avions gros-porteurs, lanceurs spatiaux, équipements de contrôle d’installations importantes: centrales nucléaires, usines de production...) et pour lesquels il est de plus en plus difficile de corriger un défaut de fonctionnement par l’intervention humaine. Le comportement de ces équipements, construits et contrôlés suivant les anciennes méthodes, s’est révélé désastreux. Pour quantifier un paramètre, jusqu’alors évalué qualitativement, il a fallu rénover les techniques antérieures de conception, de réalisation et de contrôle, et créer ainsi la fiabilité. La mise en place de ces ensembles complexes a été principalement liée au développement de l’électronique dans tous les secteurs de l’activité économique. C’est ce qui explique, en partie, pourquoi la fiabilité a été introduite en électronique avant de l’être dans les autres domaines, la mécanique par exemple, où elle a posé de gros problèmes.

La fiabilité n’est pas une caractéristique que l’on peut ajouter à un dispositif après qu’il a été conçu, fabriqué et contrôlé. La préoccupation de la fiabilité doit intervenir tout au long du processus d’élaboration d’un équipement ou d’un dispositif nouveau, au stade du projet (prévision de la fiabilité) et au stade de la production (maintien et amélioration de la fiabilité prévue).

Les exigences de fiabilité s’imposent à l’évidence, en fait, chaque fois que l’on se préoccupe du fonctionnement économiquement optimal d’un dispositif, chaque fois que l’on s’intéresse au prix de revient global d’une mission, car on est amené, pour évaluer ce dernier, à prendre en considération non plus le seul prix d’achat (ou le premier investissement), mais également le coût de l’entretien, les pertes ou manques à gagner dus aux pannes, etc.

Aujourd’hui, pour un avion gros-porteur ou un ordinateur complexe, il est impensable que la fiabilité n’intervienne pas dès la définition du produit, au même titre que les caractéristiques fonctionnelles essentielles: vitesse, capacité, consommation s’il s’agit d’un avion; rapidité de calcul et capacité de mémoire dans le cas d’un ordinateur.

Pour la plupart des biens de consommation durables, les répercussions d’une panne ne sont pas a priori considérables; cependant, la fiabilité est devenue une caractéristique à laquelle on prête de plus en plus d’attention (équipements électroménagers et audiovisuels, automobile...).

1. La fiabilité, science des défaillances

À la fiabilité, probabilité de bon fonctionnement, s’oppose la probabilité de défaillance, la somme de ces deux probabilités pour un même dispositif étant égale à l’unité si l’on admet que le dispositif ne possède que deux états: bon et mauvais. Étudier le bon fonctionnement revient bien souvent à étudier les pannes et leurs causes; c’est en cela que la fiabilité a pu être appelée la science des défaillances.

La défaillance désigne l’apparition d’un défaut correspondant à un non-fonctionnement total du dispositif considéré. Il existe plusieurs classifications des défaillances; on en retiendra deux. La première est fondée sur la rapidité d’apparition de la défaillance: défaillance progressive ou par dérive lorsqu’il existe des signes avant-coureurs, détectés ou non; défaillance catalectique lorsque l’apparition est brutale (l’éclatement d’un pneu résultant d’une usure correspond à la première, celui dû à une crevaison correspond à la seconde). La seconde classification est fondée sur la date d’apparition des défaillances dans la vie du dispositif. On peut être amené à ce niveau à distinguer deux types de dispositifs, ceux qui sont non réparables et donc ne peuvent avoir qu’une défaillance dans leur vie et ceux qui sont réparables. La date d’apparition des défaillances dans la vie du dispositif est déterminée par la distribution statistique des dates de défaillances survenues à un ou plusieurs dispositifs réparables ou à un parc complet de dispositifs non réparables réputés identiques. Les défaillances précoces ou de jeunesse, les défaillances aléatoires et les défaillances par usure permettent généralement de définir trois périodes dans la vie des dispositifs: celle des défauts de jeunesse, la vie utile, puis la période d’usure.

Le taux de défaillance instantané (t ) est défini comme la limite, lorsque l’intervalle de temps t tend vers zéro, de la fraction ( N ^s/N ^s)(1/ t ), où N ^s représente le nombre de dispositifs identiques et de même âge survivant à un instant t et N ^s le nombre de ces survivants qui tombent en panne entre les instants t et t + t .

Il est fréquent que des équipements, électroniques ou non, présentent pendant leur durée de vie utile un taux de défaillance (t ) sensiblement constant, alors que ce taux décroît pendant la période de jeunesse et croît pendant la vieillesse.

Les deux caractéristiques essentielles des variations du taux de défaillance en fonction du temps (fig. 1) sont d’une part le taux de défaillance ⁰ sensiblement constant correspondant au fond de la «baignoire», d’autre part la durée de vie utile correspondant à la durée du palier.

Les défaillances qui surviennent pendant la durée de la vie utile sont généralement catalectiques; les défaillances progressives apparaissent surtout au cours de la période d’usure. Pour les équipements purement mécaniques, la durée de vie utile est presque toujours plus brève que celle des équipements et des composants électroniques.

2. Les calculs de fiabilité

Les calculs de fiabilité sont les fondements des calculs prévisionnels indispensables dans la phase de conception d’un équipement. L’ensemble des théories du calcul des probabilités est applicable à la fiabilité. La figure 2 représente des configurations «série» et «parallèle», pour lesquelles on recherche la fiabilité des configurations en supposant connue celle de chacun de leurs éléments. On parle de configuration série (A, B) lorsque la panne de l’un des éléments A ou B entraîne celle de l’ensemble (A, B). Une configuration sera dite parallèle lorsque la panne de l’ensemble (A, B) n’apparaît que si à la fois A et B sont en panne. Cette dernière configuration, appelée aussi redondance, implique généralement que les éléments disposés en parallèles soient identiques.

Quelle que soit la configuration, il est toujours possible, connaissant la fiabilité de chaque élément (composant ou sous-ensemble), de déterminer la fiabilité de l’ensemble.

Ainsi, pour une configuration série, la fiabilité de l’ensemble est égale au produit des fiabilités des éléments:

où R (t ) est la fiabilité de la configuration série et R ⁱ (t ) celle du i -ème élément. La désignation R provient du fait que l’expression anglo-saxonne correspondant à fiabilité est reliability , R (t ) est une fonction non croissante du temps t car la probabilité de bon fonctionnement est d’autant plus faible que t est plus grand. Notons que R (t ) est compris entre 0 et 1.

Lorsqu’on a de bonnes raisons d’admettre que le taux de défaillance d’un dispositif est constant, égal à ⁰, on montre aisément que R (t ) = exp (face=F0019 漣 ⁰ t ). Lorsque deux éléments en série ont des taux de défaillance constants ⁰¹ et ⁰², la fiabilité de la configuration est:

Le taux de défaillance de l’ensemble est constant, il est égal à la somme des taux de défaillance des constituants en série.

L’existence de taux de défaillance constants est assez largement vérifiée ou du moins admise en électronique. Cela facilite grandement les calculs prévisionnels de fiabilité. À chaque type de composant électronique, répondant à des caractéristiques techniques données, peut être associé, pour des conditions de fonctionnement données, un taux de défaillance donné. La valeur ⁰ de ce taux dépend de la nature des composants, mais aussi des contraintes d’environnement qui lui sont imposées.

Pour les configurations parallèles, le taux de défaillance de l’ensemble n’est plus indépendant du temps, même pendant la durée de vie utile de chaque élément. Les calculs prévisionnels doivent tenir compte de la durée de fonctionnement à laquelle on veut associer une valeur de fiabilité.

Lorsque le taux de défaillance d’un ensemble complexe peut être considéré comme constant, on préfère généralement caractériser la fiabilité par 1/ , qui représente l’intervalle moyen entre pannes ou encore la M.T.B.F. (moyenne des temps de bon fonctionnement).

Lorsque ne peut être considéré comme constant, il est important de définir les lois mathématiques reliant et t . Certains types de lois jouent un rôle particulier: les lois de Gauss ou lois normales qui représentent les phénomènes d’usure d’une façon satisfaisante, en général, et les lois de Weibull, utiles pour les périodes de jeunesse et d’usure. Pour ces dernières, le taux de défaillance (t ) s’exprime par:

où 見 , 廓 , sont des constances caractéristiques du dispositif étudié.

Que l’on veuille comparer réalité et prévisions, ou que l’on veuille déterminer expérimentalement la fiabilité d’un dispositif, par exemple en vue de faire le calcul prévisionnel de la fiabilité d’un équipement complexe faisant appel à ce dispositif, on se heurte aux difficultés inhérentes au traitement de telles grandeurs. Comme toute probabilité, en effet, la fiabilité ne peut être mesurée, elle est seulement estimée à la suite d’essais ou après exploitation. À partir d’un ensemble de résultats obtenus (par exemple pourcentage de défaillances survenues sur un parc), on tentera de vérifier avec certains risques d’erreur si l’objectif théorique de fiabilité initialement fixé a pu être atteint. On sera alors amené à réaliser des tests d’hypothèses statistiques qui permettront ou non d’accepter l’hypothèse: la fiabilité de l’équipement considéré sera alors supérieure ou égale à celle de l’objectif fixé.

À partir des mêmes résultats, on peut également tenter d’estimer la fiabilité, l’estimation étant effectuée avec un certain niveau de confiance. La valeur réelle de la fiabilité ne sera alors connue qu’avec une certaine imprécision statistique: celle qui correspond à la plage des valeurs qui a une probabilité donnée de contenir la valeur cherchée.

En fiabilité, on considère soit des ensembles (au sens mathématique) de dispositifs identiques dont on déduit des conclusions applicables à chacun des dispositifs, soit des ensembles d’événements (les pannes survenues à un dispositif donné) d’où l’on tire des conclusions sur le comportement de ce dispositif.

3. Fiabilité et conditions de fonctionnement

Les conditions de fonctionnement, introduites dans la définition même de la fiabilité, englobent à la fois l’environnement physique dans lequel est appelé à fonctionner le dispositif et son environnement technique. Tout équipement devra subir, en dehors des contraintes électriques, mécaniques et thermiques relatives à son propre fonctionnement, un certain nombre de contraintes d’origine extérieure dues à son transport, son installation, sa manipulation et enfin aux conditions d’environnement. On désigne par «environnement physique» l’ensemble des conditions mécaniques et climatiques (chocs, vibrations, accélérations, cycles de température et d’humidité, pression, corrosion du milieu, moisissures) imposées à l’équipement par le milieu où il se trouve placé.

L’«environnement technique» correspond à l’ensemble des consignes d’entretien données aux utilisateurs directs de l’équipement et aux éventuelles politiques de contrôles préventifs mises en place. Dans la notion de fiabilité d’un équipement, on distingue la caractéristique fiabilité propre à l’équipement lui-même, parfois appelée fiabilité inhérente ou intrinsèque lorsqu’il est amené à fonctionner dans des conditions bien définies et précises (physiques et techniques), et un coefficient d’exploitation caractérisant les écarts entre les conditions physiques et techniques réelles et celles théoriques et précises correspondant à la définition du dispositif étudié. Le produit de ces deux termes est parfois appelé fiabilité opérationnelle .

Fiabilité intrinsèque

La fiabilité intrinsèque est fonction de la fiabilité des composants, du projet ou de la conception, et enfin de la réalisation technique du dispositif.

Fiabilité des composants

La configuration élémentaire d’un équipement qui correspond à la solution technique la plus simple est la configuration série.

La fiabilité d’un ensemble «série» R (t ) est égale, cela a été vu précédemment, au produit des fiabilités R ⁱ(t ) de ses composants.

Lorsque les exigences de fiabilité imposées à un ensemble ne peuvent être atteintes par une configuration série, compte tenu des faibles valeurs des fiabilités des composants, on doit modifier le projet de l’équipement pour satisfaire aux exigences formulées.

Lorsque la modification du projet amène à compliquer la configuration, pour introduire des redondances par exemple, la fiabilité de l’ensemble dépend toujours mathématiquement de celle des composants qui constituent l’ensemble.

Le projet ou la conception

Puisqu’une configuration série (celle des maillons d’une chaîne, par exemple) peut ne pas correspondre aux besoins, il faut faire un choix: soit renforcer chaque maillon (si l’on conserve l’exemple de la chaîne) en utilisant un autre métal plus résistant ou en augmentant le diamètre du maillon; soit doubler tout ou partie de la chaîne, c’est-à-dire utiliser deux chaînes ou doubler plusieurs maillons (on montre aisément que cette seconde solution est plus fiable). Par des astuces de conception, mais aux dépens d’autres caractéristiques (poids, encombrement, prix), il est toujours possible, avec les composants (maillons) dont on dispose, d’obtenir un ensemble aussi fiable qu’on le désire. Pour ce faire, on utilise soit des facteurs de charge (rapport entre la contrainte effectivement appliquée et la contrainte limite admissible) faibles pour les composants, soit des redondances.

Pour certains ensembles mécaniques ou électroniques, une part importante des pannes peut être due aux usures ou aux dérives des composants. Il convient alors d’étudier soigneusement le projet pour que de sensibles variations des caractéristiques des éléments n’affectent pas le fonctionnement de l’ensemble (les ressorts de rattrapage en mécanique, les circuits non pointus en électronique ont ainsi été développés).

Enfin, au cours des études critiques d’un projet, on examine avec une attention particulière les «points chauds», c’est-à-dire les éléments les plus exposés aux contraintes (température, pression, tension...).

C’est également au moment de la conception que doivent intervenir les choix fondamentaux relatifs à l’accessibilité des différents organes en cas de réparation ou de remplacement.

Le responsable d’une étude doit sans cesse faire un choix: perdre sur la fiabilité ou gagner sur la facilité d’entretien et de réparation; améliorer l’aptitude à la maintenance conduit en effet souvent à compliquer l’installation par des signalisations, par l’utilisation de modules aisément démontables... qui généralement amènent une baisse de fiabilité. C’est tout au long du déroulement de l’étude que le responsable devra comparer avec les objectifs fixés les résultats des calculs prévisionnels effectués.

La réalisation

La fabrication du dispositif ou de l’ensemble complexe est enfin le troisième facteur important pour la fiabilité intrinsèque.

Il importe de souligner que la préoccupation de la fiabilité n’est pas réservée aux seuls domaines exigeant une haute fiabilité (espace, aéronautique). Ainsi son étude peut se justifier pour un bien de consommation durable (vêtement, chaussures...), dans la mesure où elle permet un allègement de processus de fabrication qui se révéleraient mal adaptés car trop coûteux pour l’objectif visé. Fiabilité et analyse de valeur ont fréquemment de nombreux points communs; mais l’idéal reste de pouvoir intégrer la première parmi les paramètres de l’analyse de la valeur. Le plus souvent, toutefois, c’est seulement lorsque la fiabilité doit être élevée qu’on lui assigne un objectif numérique. Dans ces conditions, le souci essentiel du responsable de la fabrication sera de faire en sorte que la fiabilité potentielle, c’est-à-dire celle qui a été prévue par le bureau d’études, ne soit pas dégradée par les ateliers. On doit traiter certains composants à très haute fiabilité comme des objets précieux: les ateliers devront être dépoussiérés, climatisés, certains processus de fabrication devront être soigneusement contrôlés afin de vérifier qu’aucune variation nuisible n’intervient. L’ensemble des spécifications de fabrications classiques est alors susceptibles d’être modifié.

Dans toute la mesure du possible, et lorsque le produit étudié est fabriqué en série, on procède sur le prototype et sur les têtes de série à des essais de fiabilité qui tentent de simuler l’utilisation la plus vraisemblable du dispositif. C’est l’analyse du comportement lors des essais qui permettra de vérifier le bien-fondé des prévisions faites en cours d’étude, des choix de composants et des précautions prises dans les ateliers.

Fiabilité opérationnelle

La fiabilité opérationnelle est, on l’a vu, le produit de la fiabilité intrinsèque, par le coefficient d’exploitation. En fait, il est pratiquement impossible de déterminer a priori ce dernier autrement que par analogie avec des dispositifs semblables antérieurement étudiés et exploités. L’ensemble des résultats obtenus en exploitation pour des dispositifs identiques utilisés dans des conditions différentes permettra seul, a posteriori, l’évaluation des coefficients propres à chaque exploitation.

On peut trouver des exemples très simples de l’influence des environnements sur la fiabilité dans la vie courante: la fiabilité d’une même automobile varie suivant que celle-ci est utilisée sous un climat tempéré ou au Sahara, suivant qu’elle l’est quotidiennement en ville ou seulement le dimanche sur autoroute, suivant qu’elle est régulièrement graissée, contrôlée ou qu’elle ne l’est pas, enfin suivant le conducteur.

4. Conséquences techniques et économiques

L’apparition de la fiabilité dans la définition des équipements a eu de nombreuses répercussions dans plusieurs domaines: technique, économique et psychologique, en particulier dans les relations entre client et fournisseur. Ainsi, dans le domaine technique, lorsqu’un objectif de fiabilité numériquement exprimé a été imposé à un dispositif dont on a entrepris l’étude, le bureau d’études possède des méthodes et des outils lui permettant de mieux gérer son projet tout au long de son élaboration et d’en suivre, en les qualifiant, les améliorations introduites. De même l’atelier de fabrication pourra être sensibilisé aux points délicats d’un montage et aux précautions à prendre pour ne pas altérer la fiabilité potentielle.

Dans le domaine économique, on peut désormais départager différents produits censés répondre aux mêmes besoins. Il sera logique que, toutes choses égales par ailleurs, au produit le plus fiable corresponde le prix d’achat le plus élevé. La notion qui prédomine alors est celle de la pertinence d’un équipement, qui correspond à la notion d’optimum économique: pour un service donné le prix de revient global d’un équipement pertinent est le plus faible possible ou encore, pour un prix global donné, le service rendu est le plus vaste possible.

Enfin, dans les relations entre clients et fournisseurs, doivent s’instaurer inéluctablement des liens de collaboration plus étroits et souvent nouveaux. Dans toute la mesure du possible, le fournisseur s’efforcera d’aider les clients à exprimer en termes clairs et réalistes les objectifs qu’ils cherche à atteindre; ils seront amenés à étudier ensemble le «profil de mission» de l’équipement considéré et à évaluer les répercussions financières des pannes, à choisir d’un commun accord les solutions de compromis entre fiabilité, aptitude à la maintenance, poids, prix, délais, etc. C’est toute une dynamique de la gestion de projets qui est ainsi instaurée. Enfin, les calculs prévisionnels de fiabilité, qui sont un des outils fondamentaux de l’étude, ne pourront être corrects que dans la mesure où les données de base (taux de défaillance des composants et leur durée de vie, variations de ces taux avec les contraintes...) seront elles-mêmes correctes.

C’est pourquoi il importe que soit effectuée une analyse fine de tous les résultats d’essais de simulation réalisés en laboratoire et de tous les incidents survenus, par la suite, au cours de l’exploitation des matériels considérés. Peu à peu se constituent de la sorte des banques de données, qui, par cumul de résultats de nature diverse, permettent de mieux cerner les caractéristiques de fiabilité des divers composants et par là d’améliorer les prévisions ultérieures. Des fichiers d’après-vente sont ainsi constitués, auxquels collaborent client, fournisseur et service d’entretien. Un point doit être précisé: lorsqu’on s’intéresse à un produit destiné au grand public, l’intermédiaire normal entre le client final et le fournisseur est le service commercial du fournisseur.

Peu à peu, pénétrant les différents secteurs de l’économie, stratégiques ou simplement commerciaux, la fiabilité a ouvert la voie aux conquêtes spatiales et a permis notamment les développements de l’informatique.

fiabilité [ fjabilite ] n. f.

• répandu 1962; fiabletéXIII^e; de fiable

1 ♦ Techn. Aptitude d'un système, d'un matériel, à fonctionner sans incidents pendant un temps donné. Appareil de haute fiabilité. Étude de fiabilité : étude mathématique destinée à prévoir le comportement des systèmes (sécurité et rentabilité). ⇒ fiabiliste.

2 ♦ Caractère d'une chose, d'une personne fiable. La fiabilité d'une méthode. La fiabilité d'un homme. ⇒ crédibilité. Accord de fiabilité.

● fiabilité nom féminin (de fiable) Probabilité pour qu'une pièce primaire, un dispositif ou un équipement complet soit utilisé sans défaillance pendant une période de temps déterminée, dans des conditions opérationnelles spécifiées. (La fiabilité s'exprime par une durée qui correspond au temps moyen entre deux pannes successives, ou T.M.B.F. [temps moyen de bon fonctionnement].) Caractère de quelqu'un, d'un groupe, de quelque chose de fiable : La fiabilité d'une déclaration ministérielle.

fiabilité

n. f. TECH Probabilité de bon fonctionnement d'un composant ou d'un appareil pendant un temps donné.

|| Par ext. Degré de confiance que l'on peut accorder à une chose, à une personne.

fiabilité [fjabilite] n. f.

ÉTYM. Répandu 1962; fiableté, XIII^e; de fiable.

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♦ Techn., sc. Grandeur caractérisant la sécurité de fonctionnement (d'un appareil…) dans des conditions prescrites et correspondant à la mesure de la probabilité de son fonctionnement selon des normes prescrites (d'après Comité du langage scientifique de l'Académie des sciences, 1962). — Cour. Aptitude d'un système, d'un matériel, à fonctionner sans incidents pendant un temps donné. || « Ce multiplicateur est le premier réalisé en Europe (…) Par construction, il ne comporte aucune pièce mobile, d'où sa grande fiabilité » (Ingénieurs et Techniciens, n^o 200, p. 49). || Appareil de haute fiabilité.

1 (…) pour les électroniciens, les circuits intégrés ont bien d'autres qualités. En premier lieu, ils souscrivent au nouveau mot d'ordre de la technique moderne : la fiabilité. Les grands ordinateurs actuels comptent des centaines de milliers, voire des millions de composants. Lorsqu'ils ne sont pas « intégrés », il faut prévoir autant de connexions, autant d'atteintes à la fiabilité de l'ordinateur, que menace la panne la plus banale : le court-circuit.

l'Express, 8 mai 1967.

2 On peut parallèlement définir la fiabilité, en termes qui ne soient pas contradictoires avec sa définition mathématique, comme la capacité du produit à rester conforme aux spécifications du bureau d'étude pendant son utilisation.

Pierre Chapouille, la Fiabilité, p. 89.

♦ Par ext. Caractère d'une chose, d'une personne fiable. || La fiabilité d'une méthode, d'un renseignement. || La fiabilité d'un employé, d'un diplomate. ⇒ Crédibilité.

Encyclopédie Universelle. 2012.