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14 mai 2014 Spécialité Automatique Informatique Industrielle et Systèmes Homme Machine ... MATHEMATIQUES DE LA SURETE DE FONCTIONNEMENT.
Thèse de doctorat
VALENCIENNES ET DU HAINAUTCAMBRESIS
Spécialité Automatique Informatique Industrielle et Systèmes Homme MachinePrésentée et soutenue par Jean GANDIBLEUX.
Le 06/12/2013, à Valenciennes.
Ecole doctorale :
Equipe de recherche, Laboratoire :
Laboratoire de Thermique, Ecoulement, Mécanique, Mise en Production (TEMPO) Contribution à l'évaluation de sûreté de fonctionnement des architectures de surveillance/diagnostic embarquées. Application au transport ferroviaire. JURYPrésidente du jury
- BAYART, Mireille. Professeur à l'Université de Lille 1, LAGIS.Rapporteurs
-THIRIET, Jean-Marc. Professeur à l'Université Joseph Fourier de Grenoble, GIPSA Lab. AUBRUN, Christophe. Professeur à l'Université de Lorraine, CRAN.Examinateur
-GENON-CATALOT, Denis. Maître de conférences à l'Université Pierre Mendès France,LCIS-Grenoble INP.
Directeur de thèse
- CAUFFRIEZ, Laurent. Maître de conférences HDR à l'Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis, TEMPO/PSI. - Co-encadrant : CLARHAUT, Joffrey. Maître de conférences à l'Université de Valenciennes et duHainaut-Cambrésis, TEMPO/PSI.
Membre invité
- BRANGER, Guillaume. Ingénieur R&D,BOMBARDIER Transport France, Crespin.
Numéro d'ordre: 13/31
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Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse ont été réalisés dans le cadre du projet FUI SURFER
(SURveillance active FERroviaire), au Laboratoire TEMPO (Thermique, Ecoulement, Mécanique,
Matériaux, Mise en Forme, PrOduction) et à l'entreprise BOMBARDIER Transport France. Le
laboratoire TEMPO est une unité de recherche (EA 4542) membre de l'institut Carnot ARTS. Le
-Cambrésis (UVHC).J'adresse tous mes remerciements à Monsieur Laurent CAUFFRIEZ, Maître de conférences Habilité à
Diriger des Recherches, et Monsieur Joffrey CLARHAUT, Maître de conférences, d'avoir accepté de
diriger cette thèse. Je les remercie des nombreuses critiques constructives dont ils m'ont fait part
pour ce travail de thèse. Je remercie Madame Mireille BAYART, Professeur des Universités soutenance de cette thèse.J'exprime toute ma gratitude à Monsieur Jean-Marc THIRIET, Professeur à l'Université Joseph Fourier,
et Monsieur Christophe AUBRUN, Professeur à l'Université de Lorraine, de m'avoir fait l'honneur
d'être rapporteurs des travaux de ce mémoire.Je remercie également Monsieur Denis GENON-CATALOT, Maître de conférences, de l'intérêt qu'il a
porté à ce travail de recherche en acceptant de participer à ce jury en tant qu'examinateur.
Cambrésis et Guillaume BRANGER, ingénieur R&D chez BOMBARDIER Transport France, d'avoir
accepté ma candidature à ce sujet de thèse. Je remercie les deux partenaires de cette thèse, à savoir l'entreprise BOMBARDIER Transport et -Cambrésis, de m'avoir accueilli et d'avoir rendu cetterecherche possible. Durant cette thèse, j'ai intégré l'équipe FIELD-FRACAS-REX de BOMBARDIER
Transport France et je n'oublie pas de remercier l'ensemble de ses membres (Christophe DUPAS, Quentin COUTADEUR, Aurélien DUCATILLON, Luc RAUWEL, Jo STEVENS, Guillaume BRANGER,Reynald COPIN) pour leur collaboration et pour la transmission de leur expérience et de leur savoir-
faire. Je remercie également ensemble des personnes (ouvriers, techniciens et ingénieurs croisées et pas citées ci-dessus, pour leur collaboration.Page 4 sur 134
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Sommaire
AVANT PROPOS ............................................................................................................................ 3
ABREVIATIONS ET ACRONYMES UTILISES ...................................................................................... 9
INTRODUCTION GENERALE ......................................................................................................... 11
CHAPITRE 1 : ETAT DE L'ART ........................................................................................................ 13
INTRODUCTION .............................................................................................................................. 14
1. SURETE DE FONCTIONNEMENT ..................................................................................................... 14
1.1. CONCEPTS FONDAMENTAUX .............................................................................................................. 14
1.1.1. L'arbre de la sûreté de fonctionnement .................................................................................. 14
1.1.2. La fiabilité ................................................................................................................................. 15
1.1.3. La maintenabilité ...................................................................................................................... 16
1.1.4. La disponibilité ......................................................................................................................... 18
1.1.5. La sécurité ................................................................................................................................ 19
1.1.6. Liens entre attributs ................................................................................................................. 19
1.1.7. Les moyens ............................................................................................................................... 20
1.1.8. Les entraves .............................................................................................................................. 20
1.2. MATHEMATIQUES DE LA SURETE DE FONCTIONNEMENT .......................................................................... 20
1.2.1. Processus de défaillance et processus de réparation .............................................................. 20
1.2.2. Principales lois de probabilité .................................................................................................. 21
1.3. METHODES USUELLES EN SURETE DE FONCTIONNEMENT ......................................................................... 21
2. DIAGNOSTIC ........................................................................................................................... 23
2.1. SURVEILLANCE, DIAGNOSTIC ET GESTION DE FAUTES ............................................................................... 23
2.2. METHODES DE DIAGNOSTIC ............................................................................................................... 25
2.3. ARCHITECTURES DE DIAGNOSTIC ......................................................................................................... 26
2.3.1. Diagnostic local et diagnostic global ........................................................................................ 26
2.3.2. Architecture centralisée ........................................................................................................... 26
2.3.3. Architecture distribuée ............................................................................................................ 28
2.3.4. Problématique de conception d'architectures de diagnostic distribué .................................. 29
3. TRAVAUX SUR L'EVALUATION DE FMD DES ARCHITECTURES DE DIAGNOSTIC ........................................... 30
3.1. TRAVAUX SUR L'EVALUATION DE FMD DES SYSTEMES DISTRIBUES ............................................................ 30
3.1.1. Approches systèmes ................................................................................................................. 31
3.1.2. Approches centrées réseau ...................................................................................................... 32
3.2. TRAVAUX SUR L'EVALUATION DE FMD DU DIAGNOSTIC ......................................................................... 32
3.2.1. Modes de défaillance d'un système de diagnostic .................................................................. 32
3.2.2. Travaux sur l'évaluation de FMD du diagnostic ....................................................................... 33
3.3. SYNTHESE ....................................................................................................................................... 33
CONCLUSION ................................................................................................................................. 34
CHAPITRE 2 : OPTIMISATION DE LA MAINTENANCE PAR L'AMELIORATION DU DIAGNOSTIC ......... 35Page 6 sur 134
INTRODUCTION .............................................................................................................................. 36
1. CONTEXTE GENERAL ET OBJECTIFS ................................................................................................ 36
2. PRESENTATION DES ARCHITECTURES DANS LE TRANSPORT FERROVIAIRE ................................................. 38
2.1. L'ARCHITECTURE RCD (" REMOTE CENTRALIZED DIAGNOSIS ") ................................................................ 40
2.2. L'ARCHITECTURE EDCD (" EMBEDDED DECENTRALIZED & COOPERATIVE DIAGNOSIS ") ............................... 41
3. SITUATION ACTUELLE, LIMITES ET SOLUTIONS ENVISAGEES .................................................................. 41
3.1. PRESENTATION DES PARTENAIRES ....................................................................................................... 42
3.1.1. BOMBARDIER Transport ........................................................................................................... 42
3.1.2. Prosyst ...................................................................................................................................... 42
3.1.3. TEMPO ...................................................................................................................................... 42
3.2. SITUATION ACTUELLE ET LIMITES ......................................................................................................... 43
3.3. SOLUTIONS APPORTEES PAR LE PROJET FUI SURFER ............................................................................. 44
3.3.1. Diagnostic correctif et approche automatique par le modèle ................................................. 44
3.3.2. Enrichissement des diagnostics par l'utilisation d'entités intelligentes coopérantes.............. 45
3.3.3. Diagnostic prédictif et maintenance conditionnelle ................................................................ 46
3.3.4. Optimisation de la maintenance .............................................................................................. 46
4. PRESENTATION DE LA PROBLEMATIQUE DE THESE ............................................................................. 47
5. VERROUS SCIENTIFIQUES LIES AUX SYSTEMES DISTRIBUES, AU DIAGNOSTIC ET A LA SURETE DE FONCTIONNEMENT
485.1. SYSTEMES DISTRIBUES ....................................................................................................................... 48
5.1.1. Qualité de service ..................................................................................................................... 48
5.1.2. Menaces et défenses ................................................................................................................ 49
5.1.3. Conflit d'objectifs : objectif global vs. objectifs locaux ............................................................ 49
5.2. DIAGNOSTIC .................................................................................................................................... 50
5.2.1. Notion de diagnostic local "bas niveau" ................................................................................... 50
5.2.2. Notion de diagnostic local "haut niveau" ................................................................................. 50
5.3. SURETE DE FONCTIONNEMENT ........................................................................................................... 50
5.4. SYNTHESE ET CARACTERISATION DE LA COMPLEXITE DES ARCHITECTURES DE DIAGNOSTIC ............................. 51
CONCLUSION ................................................................................................................................. 53
CHAPITRE 3 : PROPOSITION DE MODELES ET VALIDATION ........................................................... 55
INTRODUCTION .............................................................................................................................. 56
1. CHOIX D'UNE METHODE DE MODELISATION ET D'EVALUATION DE FMD ................................................. 56
1.1. Justification du choix de modélisation et d'évaluation de FMD ................................................. 56
1.2. Présentation des Réseaux de Petri Colorés ................................................................................. 57
1.2.1. Notions de base ........................................................................................................................ 57
1.2.2. Extensions................................................................................................................................. 58
1.2.2.1. Réseaux de Petri Temporisés ................................................................................................ 58
1.2.2.2. Réseaux de Petri Stochastiques ............................................................................................ 59
1.2.2.3. Réseaux de Petri Stochastiques Généralisés ......................................................................... 59
1.2.2.4. Réseaux de Petri Colorés ....................................................................................................... 59
1.2.3. Résolution par simulation ........................................................................................................ 61
2. PROPOSITION D'UN MODELE ....................................................................................................... 61
2.1. Hypothèses .................................................................................................................................. 62
Page 7 sur 134
2.2. Modèles des architectures de diagnostic .................................................................................... 62
2.2.1. Modèle d'un réseau de communication .................................................................................. 62
2.2.2. MODELE DE L'ARCHITECTURE RCD ................................................................................................... 65
2.2.3. MODELE DE L'ARCHITECTURE EDCD ................................................................................................ 67
3. VALIDATION ........................................................................................................................... 69
3.1. DEFINITION D'UN PROTOCOLE DE VALIDATION....................................................................................... 69
3.2. SIMULATION ET RESULTATS ................................................................................................................ 70
3.2.1. PREMIER CAS THEORIQUE DE VALIDATION ......................................................................................... 71
3.2.2. SECOND CAS THEORIQUE DE VALIDATION .......................................................................................... 75
CONCLUSION ................................................................................................................................. 77
CHAPITRE 4 : EXPLOITATION DES MODELES PROPOSES ................................................................ 79
INTRODUCTION .............................................................................................................................. 80
1. APPLICATION SUR UN CAS REEL .................................................................................................... 80
1.1. PRESENTATION DE L'ACCES VOYAGEURS ............................................................................................... 80
1.2. ESTIMATION DES PARAMETRES DU SYSTEME ELEMENTAIRE D'ACCES VOYAGEURS ......................................... 82
1.2.1. Estimation de la distribution de défaillance d'un accès voyageurs ......................................... 83
1.2.2. Estimation de la distribution de réparation d'un accès voyageurs .......................................... 85
1.3. QUANTIFICATION DES PARAMETRES DES RESEAUX DE COMMUNICATION .................................................... 87
1.3.1. Réseau de communication bord sol (S_TWN) .......................................................................... 87
1.3.2. Réseau de diagnostic embarqué (S_EDN) ................................................................................ 87
1.4. QUANTIFICATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE DIAGNOSTIC .......................................................... 88
1.5. SYNTHESE DES DONNEES D'ENTREE...................................................................................................... 89
1.6. SIMULATIONS .................................................................................................................................. 90
1.6.1. Un système élémentaire S_Ei (n=1) ......................................................................................... 90
1.6.2. Trois systèmes élémentaires S_Ei (n=3) ................................................................................... 92
2. ETUDES DE SENSIBILITE .............................................................................................................. 94
2.1. SENSIBILITE DES ARCHITECTURES RCD ET EDCD AU TAUX DE DEFAILLANCE DU RESEAU DE COMMUNICATION
BORD SOL (S_TWN) .................................................................................................................................. 94
2.2. SENSIBILITE DE L'ARCHITECTURE EDCD AU TAUX DE DEFAILLANCE DU RESEAU EMBARQUE POUR LE DIAGNOSTIC
(S_EDN) .................................................................................................................................................. 97
2.3. SENSIBILITE DES ARCHITECTURES RCD ET EDCD AU TEMPS DE VALIDATION D'UNE ALARME AU SYSTEME DE
DIAGNOSTIC GLOBAL (S_GD) ..................................................................................................................... 100
2.4. SYNTHESE ..................................................................................................................................... 102
CONCLUSION ................................................................................................................................ 104
CHAPITRE 5 : CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ............................................................ 105
1. CONCLUSION ......................................................................................................................... 105
2. PERSPECTIVES ........................................................................................................................ 107
2.1. PERSPECTIVES SCIENTIFIQUES ........................................................................................................... 107
2.1.1. Enrichissement des modèles proposés .................................................................................. 107
2.1.2. Proposition d'une méthodologie d'évaluation FMD a priori ................................................. 108
Page 8 sur 134
2.2. PERSPECTIVES INDUSTRIELLES ........................................................................................................... 109
BIBLIOGRAPHIE ......................................................................................................................... 111
ANNEXE 1 : LOIS DE PROBABILITE .............................................................................................. 123
1. DEFINITION DES LOIS ................................................................................................................ 123
1.1. LOIS DISCRETES .............................................................................................................................. 123
1.1.1. La loi binomiale (ou loi de Bernoulli) ...................................................................................... 123
1.1.2. La loi de Poisson ..................................................................................................................... 123
1.2. LES LOIS CONTINUES ....................................................................................................................... 123
1.2.1. La loi de Weibull ..................................................................................................................... 124
1.2.2. La loi exponentielle ................................................................................................................ 124
1.2.3. La loi normale ......................................................................................................................... 124
1.2.4. La loi Log-Normale .................................................................................................................. 124
1.2.5. La loi gamma .......................................................................................................................... 125
2. METHODES D'ESTIMATION DES LOIS DE PROBABILITE........................................................................ 125
2.1. METHODE GRAPHIQUE (KUMAMOTO & HENLEY,1996) ....................................................................... 125
2.2. METHODE PAR INTERVALLE DE CONFIANCE (LYONNET,2006) ................................................................ 126
3. TRACE DES LOIS DE PROBABILITE ................................................................................................. 127
ANNEXE 2 : PRESENTATION DES AUTRES PARTENAIRES DU PROJET FUI SURFER .......................... 1291. IFSTTAR .............................................................................................................................. 129
2. HIOLLE INDUSTRIES ............................................................................................................. 129
3. POSITIONNEMENT VIS-A-VIS DES POLES DE COMPETITIVITE ................................................................ 129
INDEX DES FIGURES ................................................................................................................... 131
INDEX DES TABLEAUX ................................................................................................................ 133
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A(t) Disponibilité instantannée
CTAA (de l'anglais " Cumulative Time spent on analyzing All Alarms ") : temps cumulé passé à analyser toutes les alarmes
CTFA (de l'anglais " Cumulative Time spent on analyzing False Alarms ") : temps cumulé passé à analyser des fausses alarmes
CTTA (de l'anglais " Cumulative Time spent on analyzing True Alarms ") : temps cumulé passé à analyser des vraies alarmes
EDCD (de l'anglais " Embedded Decentralized and Cooperative Diagnosis ") : diagnostic embarqué décentralisé et coopérant
FMD Fiabilité, Maintenabilité, DisponibilitéFUI Fonds Unique Interministériel
GAMAB Globalement Au Moins Aussi Bon
LCC (de l'anglais " Life Cycle Cost ") : coût global de possession MDT (de l'anglais " Mean Down Time ") : durée moyenne d'indisponibilité MTTF (de l'anglais " Mean Time To Failure ") : temps moyen avant la première défaillance MTTR (de l'anglais " Mean Time To Repair ") : durée moyenne de réparation NAA (de l'anglais " Number of All Alarms") : nombre total d'alarmes NFA (de l'anglais " Number of False Alarms ") : nombre de fausses alarmesNRE (de l'anglais " Number of Residual Errors") : nombre d'erreurs résiduelles sur les réseaux de communication
NTA (de l'anglais " Number of True Alarms ") : nombre de vraies alarmes PTFA Pourcentage de Temps d'analyse passé à analyser des Fausses Alarmes RCD (de l'anglais " Remote Centralized Diagnosis") : diagnostic distant centraliséRdP Réseaux de Petri
RdPC Réseaux de Petri Colorés
SURFER SURveillance active FERroviaire
S_D Système de Diagnostic local "bas niveau"
S_D* Système de Diagnostic local "haut niveau"
S_E Système Elémentaire
S_EDN (de l'anglais " Embedded Diagnosis Network") : Réseau de communication embarqué pour le diagnostic
S_GD (de l'anglais " Global Diagnosis System ") : Système de diagnostic global S_TWN (de l'anglais " Train-to-wayside Network ") : Réseau de télécommunication train-solPage 10 sur 134
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Dans le transport ferroviaire, le coût global de possession du matériel roulant est une question
majeure. Pour les exploitants de matériel roulant, cet élément représente un facteur de
compétitivité important face aux autres modes de transport ou encore face à l'arrivée d'une nouvelle
concurrence, suite à l'ouverture des marchés d'exploitation des lignes conventionnelles en 2010
(CCE,2004).Cette mise en concurrence pousse de plus en plus les exploitants à vouloir acquérir des matériels
roulants en prenant en compte le coût global de possession LCC (de l'anglais " Life Cycle Cost »),
optimisant le coût de maintenance pendant la vie du matériel roulant. Le LCC est un des indicateurs
de performance des marchés modernes (Schweiger,2009). En effet, il existe une demande forte en maintenance plus efficace, plus réactive (compte-tenu de la concurrence d'autres exploitants) etmoins coûteuse, au lieu du modèle historique de maintenance préventive organisée sur le territoire
national.Pour optimiser la maintenance, une approche consiste à améliorer le diagnostic (Marquez et
al.,2008)(Utne et al.,2012). Dans ce cadre, Bombardier Transport conduit actuellement plusieurs
projets de recherche (Cauffriez et al.,2013)(Bombardier,2010) (Gandibleux et al.,2011). Cette thèse
est réalisée dans le cadre du projet SURFER (pour SURveillance active FERroviaire) financé par le FUI
(Fonds Unique Interministériel), qui vise le développement d'une architecture de diagnostic efficace
(ISO13374-1,2003). La nouvelle architecture de diagnostic repose sur l'utilisation de capteurs
intelligents et de réseaux de communication. Ces technologies offrent de nouvelles possibilités mais
engendrent cependant de nouvelles contraintes notamment en matière de sûreté de quantification du niveau de sûreté de fonctionnement plus difficile.De plus, le projet FUI SURFER se déroule dans le transport ferroviaire français, où la démarche de
risque est préconisée (EN50126,2000). Dans ce secteur, le risque doit être abordé selon le principe
GAMAB (acronyme de "Globalement Au Moins Aussi Bon"). Selon le principe GAMAB, l'architecturede diagnostic développée doit être non-intrusive, c'est-à-dire qu'elle ne doit pas interférer avec le
bon fonctionnement du système élémentaire (existant). L'architecture de diagnostic ne doit donc pas
diminuer la disponibilité du système élémentaire (EN50126,2000). La non-intrusivité, qui diffère de
l'approche classique pour les systèmes tolérants aux fautes (voir chapitre 1), est imposée par
Bombardier Transport et donc le système de diagnostic et le système élémentaire (c'est-à-dire le
système soumis au diagnostic) sont indépendants. Cette exigence de non-intrusivité provient de
l'indisponibilité en exploitation, suite aux défaillances de ces systèmes. Cette indisponibilité est
habituellement liée à une gravité importante (EN50126,2000).Pour ces raisons, la conception d'une nouvelle architecture de diagnostic est un défi. Ceci a conduit à
cette thèse. Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse proposent des modèles et un protocole
de validation, afin d'évaluer la FMD (Fiabilité, Maintenabilité, Disponibilité) d'architectures de
diagnostic. La tâche est rendue difficile, du fait de la complexité inhérente aux systèmes intelligents,
du fait de l'emploi de réseaux de communication et du fait de la grande taille d'un système detransport ferroviaire. Ces observations ont orienté le choix vers les réseaux de Petri colorés.
Page 12 sur 134
Dans le premier chapitre, les notions de fiabilité, maintenabilité et disponibilité et les notions de base
en surveillance, diagnostic et gestion de faute non-intrusive sont rappelées afin de donner un cadre
théorique aux travaux réalisés. Puis, quelques travaux de la littérature, proches de la problématique
d'évaluation d'architectures de diagnostics sont recensés. Les formalismes utilisés pour l'évaluation
de FMD des architectures de diagnostic sont également présentés.Nous détaillons au deuxième chapitre le contexte général et les objectifs de ces travaux de thèse, qui
se déroulent dans le cadre du projet FUI SURFER. Les architectures de diagnostic du transport
ferroviaire sont présentées, afin de mieux cerner les limites de la situation actuelle et la solution
envisagée dans le projet FUI SURFER. Cette présentation permet de poser les objectifs de cette thèse,
qui consiste à modéliser et évaluer d'un point de vue FMD des architectures de diagnostic. Enfin, les
verrous scientifiques de cette thèse liés aux réseaux de communication, au diagnostic et à la sûreté
de fonctionnement sont identifiés.Le troisième chapitre justifie et présente le formalisme retenu, à savoir les Réseaux de Pétri colorés
associés à la résolution par simulation de Monte Carlo. Dans un premier temps, nous proposons un
modèle générique pour les réseaux de communication, qui occupent une place centrale dans les
architectures de diagnostic du transport ferroviaire. Puis nous proposons des modèles en Réseaux de
Pétri colorés des architectures de diagnostic. Les modèles proposés sont ensuite validés, par un
protocole composé de cas pessimistes et optimistes, qui permet de valider les résultats en sortie du
modèle pour les valeurs d'entrée retenues.Le quatrième chapitre applique les modèles proposés sur un cas réel proposé par Bombardier, où les
systèmes élémentaires sont des accès voyageurs. Dans un premier temps, la distribution du taux de
défaillance et la distribution des temps de réparation sont estimées à partir du retour d'expérience
fourni par Bombardier. Puis, les paramètres des réseaux de communication et des systèmes de
diagnostic sont quantifiés. Les résultats pour l'application réelle sont obtenus et discutés. Devant le
manque de données concernant le réseau de communication bord sol et le réseau de communication
embarqué pour le diagnostic, nous décidons de présenter des études de sensibilité afin d'étudier
l'influence de leur dysfonctionnement sur la FMD des architectures de diagnostic.Le cinquième chapitre présente la conclusion de nos travaux de recherche et introduit les
perspectives identifiées, tant sur le plan scientifique que sur le plan industriel.Page 13 sur 134
INTRODUCTION ............................................................................................................................... 14
1. SURETE DE FONCTIONNEMENT ..................................................................................................... 14
1.1. CONCEPTS FONDAMENTAUX ............................................................................................................... 14
1.1.1. L'arbre de la sûreté de fonctionnement ................................................................................... 14
1.1.2. La fiabilité .................................................................................................................................. 15
1.1.3. La maintenabilité ...................................................................................................................... 16
1.1.4. La disponibilité .......................................................................................................................... 18
1.1.5. La sécurité ................................................................................................................................. 19
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