Lorsque vous mélangez du noir et du blanc, vous obtenez du gris et, avec lui, une nouvelle méthode qui devrait permettre aux systèmes électroniques complexes de se surveiller eux-mêmes. À l'aide de modèles dits de boîte grise, sur lesquels travaillent des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la fiabilité et la microintégration IZM, il sera possible de détecter à un stade précoce des signes d'usure ou de manipulation dans les systèmes électroniques, avant qu'une défaillance réelle ne se produise.

Le nouveau procédé est initialement développé et testé pour des applications critiques pour la sécurité dans les secteurs automobile et ferroviaire. Le principe de base peut cependant être transféré à de nombreux autres domaines d'application.

On s'attend à ce qu'une voiture fonctionne de manière fiable pendant de nombreuses années, à travers des étés chauds, des hivers glacials, de la pluie et des tempêtes. Aujourd'hui cependant, nos véhicules sont équipés de plus en plus d'appareils électroniques qui doivent pouvoir résister à ces conditions extrêmes.

Jusqu'à présent, ce problème pour les systèmes critiques pour la sécurité a souvent été résolu dans la pratique avec des fonctionnalités surdimensionnées et redondantes. Un tel exemple est des systèmes électroniques ou des parties de ceux-ci qui sont installés en double, de sorte qu'en cas de panne, le système de secours peut prendre le relais jusqu'à ce que le problème soit résolu.

Un projet de recherche au Fraunhofer IZM contribue à un avenir de solutions plus élégantes, durables et économes en énergie dans ce domaine. Dans le cadre du projet SesiM, qui a débuté l'été dernier sous la direction de Siemens AG, les chercheurs de Fraunhofer travaillent avec d'autres partenaires des domaines de la mobilité et de l'intelligence artificielle pour trouver des solutions d'auto-validation pour les systèmes électroniques complexes.

En se concentrant sur les applications automobiles et ferroviaires, les chercheurs étudient comment ces systèmes pourraient s'auto-évaluer et rendre compte de leur état, par exemple via un système d'éclairage intégré.

"Nous nous intéressons plus à l'état avant que l'électronique ne soit cassée qu'au moment où elle est réellement cassée", explique le Dr Johannes Jaeschke, ingénieur électricien et chef de projet Fraunhofer IZM pour le projet commun.

"Bien avant qu'un système ne tombe en panne, certaines fonctions peuvent être compromises, par exemple lorsque les matériaux deviennent cassants. La stabilité mécanique du composant ne permet souvent pas de détecter suffisamment tôt les signes de vieillissement. Il est donc difficile de surveiller les systèmes électroniques."

Faire du gris à partir du noir et blanc

Les chercheurs du projet considèrent le modèle de la boîte grise comme la clé d'une auto-validation efficace des systèmes électroniques. Il a acquis ce nom car il est basé à la fois sur des approches de boîte blanche et de boîte noire.

Depuis de nombreuses années, Fraunhofer IZM travaille intensivement sur les systèmes électroniques au niveau physique. Grâce à leur expertise en technologie de mesure et en conception, les chercheurs peuvent développer des modèles de surveillance et de prévision des conditions basés sur des processus physiques et modélisés autour, par exemple, de conditions aux limites telles que la température ou l'humidité.

Because it is clear how this type of model functions, it is called a white box model. However, the more complex an electronic system is, the harder it is to map and monitor it on a purely physical level in a holistic manner. For data-driven models that use artificial intelligence, complex structures and large amounts of data are no problem. However, what happens inside these systems remains unclear—hence the name black box model.

"We can combine the best of both worlds in gray box models," summarizes Jaeschke. "This is why we are also referring to it as hybrid modeling. We can process a vast amount of data while, at the same time, understanding the physical reasons behind changes in the signal. This way, we can increase trust in our data."

From test printed circuit boards (PCBs) to prototypes

To date, practical applications of gray box models are largely unchartered territory. So, after an initial design phase, the SesiM researchers are now also working on describing simple circuits that will increase in complexity as the research project progresses. The test PCBs are precisely measured and tested during production and then in their operating state.

"By doing this, we are generating a digital fingerprint for our test wiring," explains Jaeschke. This means that data will be collected even under extreme boundary conditions.

The next step is to identify the parameters within the large amount of data that are relevant for mapping the system and then, taking into account the physical knowledge, to create a model that detects deviations from a predefined ideal state. External manipulations should thereby be recognized as quickly as possible, and wear can be forecast early on.

At a later point in the project, the test PCBs will then be transferred to prototypes for automotive and rail applications, which will be used to extensively analyze the models created.

Potential for a range of applications

In the future, it may therefore be possible for an integrated intelligent system in a car to provide an early warning for a problem with the electronics, offering a self-diagnosis. When servicing a car, mechanics will then be able to view all of the information collected by the vehicle about its condition and make targeted repairs on the basis of this information.

A follow-up project by researchers at Fraunhofer IZM will focus on the topic of aviation. Applications outside of the mobility sector are also possible—for example in medical engineering and offshore windfarms, for which regular external monitoring and preventative maintenance are difficult to carry out.

The overarching aim of SesiM is to initially prove that the basic principle that electronic systems can self-validate using gray box models actually holds true.

Jaeschke has faith in the idea:"If we succeed, our approach will make a significant contribution to increasing the reliability of electronic systems. It is hugely important, particularly in the safety-critical mobility sector, and would further strengthen the reputation of automotive and rail technology developed in Germany." + Explorer plus loin

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