Cequ’estl’ingénierie

L’Accreditation Board for Engineering and Technology (ABET, l’organisme qui accrédite presque tous les diplômes d’ingénieur aux États-Unis) définit l’ingénierie comme « la profession dans laquelle la connaissance des sciences mathématiques et naturelles acquise par l’étude, l’expérience et la pratique est appliquée avec discernement pour développer des façons d’utiliser, de manière économique, les matériaux et les forces de la nature au bénéfice de l’humanité ».

Lis lentement cette définition, et elle dit quelque chose de plus précis que « l’ingénierie utilise la science ». Un physicien peut parfaitement comprendre comment un matériau fléchit sous une charge sans jamais avoir à décider de l’épaisseur d’une poutre, avec un vrai budget, pour une vraie échéance, avec un matériau réellement disponible à l’achat. Dès que « de façon économique » et « au bénéfice de l’humanité » entrent dans la phrase, la discipline passe de la compréhension du fonctionnement de quelque chose à la décision de ce qu’il faut réellement construire, et cette décision se prend toujours sous des contraintes que la science seule ne tranche pas.

Ce cours traite cette distinction comme la première chose à comprendre, avant tout contenu technique précis, parce qu’elle explique pourquoi le reste du cours est organisé ainsi : non autour d’une physique abstraite, mais autour du problème récurrent qui consiste à transformer la physique en quelque chose qui fonctionne avec un budget.

ABET, définition de l’ingénierie, telle que reproduite dans des supports pédagogiques d’ingénierie, https://users.ece.utexas.edu/~holmes/Teaching/EE302/Slides/UnitOne/tsld002.htm.

Une idée reçue courante, facile à avoir avant de faire de la vraie ingénierie, est que les contraintes sont une gêne qui vient s’ajouter à « la vraie ingénierie », imaginée comme le pur problème technique en dessous. En pratique, identifier et satisfaire les contraintes, c’est généralement ça, l’ingénierie : la solution technique à « faire une poutre assez résistante » est souvent simple ; le vrai travail est de la rendre assez résistante dans un budget de masse, un coût matière, un procédé de fabrication et un délai, tout à la fois.

Les contraintes viennent de plusieurs endroits, et un ingénieur en activité doit savoir de quel type est chacune. Les contraintes physiques (la limite d’élasticité d’un matériau, la vitesse de la lumière, le point d’ébullition de l’eau à une pression donnée) ne se négocient pas du tout. Les contraintes réglementaires (un code de construction, une norme de sécurité, une limite d’émissions) peuvent parfois être contestées ou faire l’objet d’une dérogation par une procédure formelle, mais elles ne sont pas facultatives. Les contraintes de ressources (budget, calendrier, main-d’œuvre qualifiée disponible) sont négociables en principe, mais les négocier coûte généralement autre chose dont le projet a aussi besoin.

Confondre ces catégories est une erreur courante et coûteuse. Une équipe qui traite une contrainte de ressources comme une loi physique renonce à des options qu’elle avait ; une équipe qui traite une contrainte physique comme un simple problème de ressources gaspille ses efforts à négocier quelque chose qui n’allait jamais bouger.

Une première conception fonctionne rarement exactement comme prévu, et considérer cela comme un échec plutôt que comme le milieu normal du processus est l’une des habitudes les plus néfastes qu’un jeune ingénieur puisse avoir. Le Systems Engineering Handbook de la NASA l’intègre dans son vocabulaire officiel : il définit « itératif » comme l’« application d’un processus au même produit ou ensemble de produits pour corriger un écart découvert ou toute autre variation par rapport aux exigences », et « récursif » comme le fait d’ajouter de la valeur à un système « par l’application répétée de processus pour concevoir les produits du niveau inférieur ou réaliser les produits finaux du niveau supérieur dans la structure du système ».

En clair : itérer, c’est revenir en arrière et corriger la même chose une fois qu’on a compris qu’elle ne satisfait pas tout à fait l’exigence ; la récursion, c’est appliquer à nouveau le même processus de conception de base, un niveau de détail plus bas, pour concevoir les pièces qui composent l’ensemble. Un grand système d’ingénierie (un engin spatial, une voiture, un pont) n’est pas conçu une seule fois par le haut ; il est conçu, vérifié et corrigé, encore et encore, à chaque niveau du système complet jusqu’aux composants individuels, jusqu’à ce que chaque niveau satisfasse ses propres exigences et que les pièces s’assemblent correctement.

Cette structure explique pourquoi les schémas du « processus de conception en ingénierie » comportent presque toujours une boucle plutôt qu’une ligne droite du problème à la solution. La boucle n’illustre pas ce qui tourne mal : elle illustre comment une conception devient réellement juste.

NASA Systems Engineering Handbook, NPR 7123.1, définitions d’« itératif » et « récursif », https://www.nasa.gov/reference/2-0-fundamentals-of-systems-engineering/.

Le processus de conception décrit dans ce chapitre est commun à toute l’ingénierie ; ce qui change selon la discipline, c’est la physique, les matériaux et les systèmes avec lesquels chacune travaille. L’ABET accrédite séparément des programmes en génie civil, mécanique, électrique, chimique, industriel, aérospatial, biomédical, environnemental et informatique, entre autres : des disciplines distinctes bâties sur des corpus de connaissances techniques distincts, qui appliquent toutes le même processus de fond de conception et de gestion des contraintes que ce chapitre vient de décrire.

La distinction apparaît aussi officiellement : le National Council of Examiners for Engineering and Surveying fait passer des examens de licence Principles and Practice of Engineering distincts selon les disciplines, parce que la compétence reconnue d’un ingénieur agréé en conception de structures n’établit pas, à elle seule, sa compétence en réseaux électriques ou en conception de procédés chimiques : les disciplines partagent un processus, mais pas un corpus de connaissances spécialisées.

Ce cours consacre ses huit chapitres restants à parcourir tour à tour plusieurs de ces corpus (statique et matériaux, thermodynamique et fluides, bases de l’électricité, systèmes de commande), précisément parce qu’une formation de base en ingénierie doit donner une compréhension pratique de tous, même à un étudiant qui finira par se spécialiser dans un seul.

National Society of Professional Engineers, sur les catégories d’accréditation de l’ABET et les examens de licence du NCEES, https://www.nspe.org/career-growth/pe-magazine/january-2018/revised-abet-criteria-will-prepare-students-the-future.