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L’informatique au service de l’aéronautique : les contributions de Gérard Berry

L’informatique a progressivement été introduite en aéronautique à partir des années 1970. Au début utilisés pour les systèmes de capteurs, les systèmes informatiques embarqués ont petit à petit été employés dans toutes les parties des avions civils ou militaires. Le langage Esterel, conçu par Gérard Berry, a permis de développer rapidement et efficacement des logiciels pour ce secteur, avec la génération automatique de code. Emmanuel Ledinot, Responsable des études scientifiques amont à Dassault Aviation, et Gérard Ladier, Directeur Général Adjoint à Aerospace Valley, reviennent sur les contributions de Gérard Berry en aéronautique et la « révolution informatique » survenue à la fin du XXe siècle dans ce domaine.

Cet article est publié dans le cadre de notre série consacrée aux travaux de Gérard Berry, lauréat de la médaille d’or du CNRS en 2014.

Quand l’informatique a-t-elle commencé à être utilisée en aéronautique ?

Emmanuel Ledinot : Dans l’aéronautique, les premiers calculateurs ont été introduits vers la fin des années 50. Ils étaient analogiques, c’est-à-dire qu’ils représentaient les nombres par des courants continus et réalisaient les opérations par des circuits électriques. Ce n’est que dans les années 1970 que les calculateurs embarqués sont devenus numériques, et on a commencé à utiliser des nombres codés par des mots de 0 et de 1 (octets) et des circuits électroniques, puis des micro-processeurs. L’apparition du micro-processeur et les progrès des circuits intégrés pendant 40 ans sont à l’origine du rôle essentiel que joue depuis une vingtaine d’années l’informatique embarquée dans l’aéronautique, tant civile que militaire. La situation est la même dans les autres domaines du transport, et dans les autres domaines tout court.

Le recours au calcul embarqué dans les avions a d’abord servi à traiter des signaux capteurs : radio-sondes mesurant la hauteur par rapport au sol en approche, radar, communications radio, etc., Ensuite il a permis d’ajouter des écrans, puis des aides au guidage, à la navigation, et même au pilotage avec par exemple les premiers systèmes « d’augmentation » des actions du pilote sur le manche.

Gérard Ladier : Pour Airbus l’informatisation massive date des A320, qui marquent une rupture, avec plusieurs dizaines de mégaoctets embarqués dans les avions. Cette innovation est apparue dans les années 1980-1990. L’A320 est le premier avion civil avec commandes de vol électriques.

Quelles ont été les contributions de Gérard Berry dans ce domaine ?

E. L. : La contribution de Gérard Berry est de plusieurs ordres : la création et le développement du langage Esterel, son rôle dans le développement d’une approche mathématisée des langages de programmation dédiés au contrôle commande de systèmes critiques en France et dans le monde, et enfin son engagement au sein de la société Esterel Technologies de 2000 à 2009.

Concernant le langage Esterel, à peu près au même moment (1982), respectivement en France et en Israël, Gérard Berry et David Harel ont repéré que la programmation des logiques d’activation, c’est-à-dire la partie des logiciels qui décide quels calculs doivent être faits dans chaque circonstance (demandes du pilote, occurrences de pannes, situation géographique ou dynamique de l’avion, etc.) était un problème en soi qui justifiait un langage dédié. David Harel a conçu un langage graphique, les StateCharts, Gérard Berry un langage textuel, Esterel. Les deux langages offrent fondamentalement des moyens équivalents de description structurée et concise d’automates à états finis de très grande complexité. Ces langages ont permis de maîtriser, en termes de lisibilité, de temps de développement et de vérification formelle, les logiques d’activation qui se déroulent dans le temps. Leur complexité devenait telle que les langages de programmation classiques tels que C, ou Ada, pourtant universels, n’étaient plus adaptés pour garantir le niveau de sûreté et de productivité requis.

Quand la société Esterel Technologies a été créée en 2000 par Eric Bantégnie, Gérard Berry a rejoint la start-up et pris en charge la direction scientifique de l’industrialisation d’Esterel, tant pour la génération de code embarqué (C et Ada) que pour la synthèse de circuits électroniques. Il s’est principalement consacré à la génération de hardware à partir d’Esterel, domaine important pour l’embarqué.

Quelles applications en aéronautique sont directement issues du langage Esterel ?

G. L. : Les outils d’Esterel technologies ont permis de faire évoluer la conception de logiciels pour l’aviation, en permettant la génération automatique de code. Développer un logiciel avionique sûr demande beaucoup de précautions en développement et en test. Avec la génération automatique, on génère directement des codes sûrs, ce qui est un gros avantage.

Côté airbus on utilise beaucoup le langage SCADE, un langage graphique issu de LUSTRE, un cousin d’Esterel, qui sert à spécifier et programmer les commandes de vol critique entre le pilote et l’avion. Le codage avec SCADE devient « presse-bouton ». Esterel ou SCADE permettent de déplacer l’effort vers l’amont : la conception est plus sûre, ce qui allège la phase de test, et offre plus de sécurité au moment du vol. Aujourd’hui, jusqu’à 80% des logiciels de vols ne sont plus testés unitairement.

A l’heure actuelle, toutes les fonctions de l’avion sont sous la commande informatique, des toilettes aux fonctions de commande. Il s’agit d’assister le pilote évidemment, mais également de lui faciliter la vie et de limiter les risques d’erreurs pouvant conduire par exemple à un décrochage. Cela permet aussi de développer de nouvelles fonctions comme des systèmes d’évitement de collision.

Qu’est-ce que l’informatique a apporté au domaine, quelles ont été les différentes évolutions ?

E. L. : Le passage au calcul numérique et l’apparition du logiciel ont permis d’accroître considérablement la richesse et la précision des traitements. Plus important encore, ils ont apporté une flexibilité de développement, c’est-à-dire la possibilité de modifier facilement la fonction assurée par le calcul, sans commune mesure avec celle des calculateurs analogiques ou « cablés ». Grâce à l’augmentation continue de la taille des mémoires et de la puissance des processeurs, l’informatique a progressivement pénétré toutes les parties d’un avion : moteurs, structure mécanique, systèmes énergétiques, cockpit, et même la cabine passagers. L’informatique a permis de développer des systèmes d’abord petits et indépendants, puis plus gros et interconnectés, puis encore plus gros et fédérés par des calculateurs centraux. Ils sont aujourd’hui toujours plus gros en nombre de processeurs et taille de logiciel, modulaires, et partagent des ressources génériques. Ils assurent des centaines, voire des milliers de fonctions dans un avion, dont une fraction minoritaire mais essentielle, est critique en termes de sûreté de fonctionnement.

G. L. : Ce qui a été fait au niveau informatique en aéronautique est maintenant transposable pour d’autres domaines, comme l’automobile, et les connaissances acquises diffusent dans d’autres champs d’activités. Par exemple, la simulation a été utilisée massivement pour mettre au point les avions, et la réalité virtuelle est utilisée depuis 30 ans en aéronautique. Aujourd’hui on se rend compte qu’elle commence à intéresser les travaux en médecine. Les outils développés pour l’aéronautique devront bien sûr être adaptés mais cela va permettre de gagner du temps pour de nouvelles applications.

A quelles problématiques, défis, et enjeux, doit répondre l’informatique aujourd’hui dans le secteur de l’aéronautique ?

G. L. : L’histoire n’est jamais finie, et si aujourd’hui les outils de pilotage informatisés sont maîtrisés, les intérêts de l’informatique en aéronautique portent plus sur la cybersécurité ou le traitement de données.

Il existe de nouvelles voies de communication entre objets maintenant connectés. On commence à utiliser notamment des systèmes plus ouverts, où les appareils aériens sont davantage connectés avec les installations au sol. De nouveaux problèmes de sécurité peuvent alors se poser. Il y a aussi des enjeux autour du Big Data. On pourrait faire des améliorations, des prédictions, par exemple pour la maintenance : pour un avion on a des milliers de rapports sur ce qui se passe en vol, et ce n’est plus humainement exploitable, il faut des outils.

E. L. : Dans le domaine du contrôle commande critique pour la sûreté de fonctionnement, un des enjeux principaux est de concilier coût économique acceptable de qualification des logiciels pour les autorités de certification, et croissance continue de leur taille et de leur complexité. Il y a aussi des enjeux liés à l’amélioration de la couverture et de la productivité en vérification du comportement des logiciels, critiques et non critiques.

Et comme déjà indiqué par G. Ladier, la cybersécurité des logiciels non critiques exposés au « monde ouvert » est un autre enjeu d’importance pour les années à venir.

Retrouvez les autres articles de notre série :
- Programmer le matériel : contributions du langage Esterel de Gérard Berry (avec Jean Vuillemin)
- Gérard Berry et la preuve par ordinateur (avec Christine Paulin-Mohring)
- L’informatique au service de l’aéronautique : les contributions de Gérard Berry (avec Emmanuel Ledinot, et Gérard Ladier)
- L’ordinateur musicien : les apports du langage Esterel, conçu par Gérard Berry, à la musique mixte (avec Arshia Cont) (à venir)
- Gérard Berry et les neurosciences (avec Yves Frégnac et Sophie Denève)