Innov'INSA: Lampadaire de ville

Lampadaire de Ville

 

  Aujourd’hui, le lampadaire de ville fait partie intégrante du paysage urbain. Pratique et sécurisant, il a beaucoup évolué au cours des siècles.

 

I.                    Histoire du lampadaire

  Depuis le Moyen-Age, on cherche à sécuriser les villes et les rues afin de diminuer le nombre de crimes nocturnes. Pour cela, on met en place de nombreux dispositifs mais même les autorités craignent de sortir dans l’obscurité. C’est seulement sous le règne de Louis XIV, que les premiers réverbères d’éclairage public apparaissent. Le nouveau souverain décide d’appliquer une politique sécuritaire et s’intéresse donc à l’éclairage de nuit de la ville donnant pour mots d’ordre : « netteté, clarté, sécurité ». En 1667, Nicolas de la Reynie est nommé Directeur Général de Police, c’est alors qu’il met en place un système d’éclairage des rues à l’aide de lanternes à bougies du 1er novembre au 1er mars. Ce système est alors à la charge de l’Etat moyennant une redevance par habitant. On parle alors du commencement de l’éclairage public.

 

II.                 L’état de l’art

  Avant de vous faire part de nos analyses et des moyens d’innovation trouvé, nous allons vous parler de l’évolution du lampadaire de 1667 à aujourd’hui.

       Les premières lanternes installées par Nicolas de la Reynie sont constituées de petits carreaux assemblés au plomb et d’un capot protégeant une chandelle. Celle-ci éclaire via une mèche carbonée qu’il faut alors couper toutes les heures. Les lanternes étaient suspendues à des cordes traversant les rues à environ 3 mètres du sol.

       

 

 

En 1744, un ingénieur français, Dominique-François Bourgeois crée un nouveau modèle de lanterne à réverbère. Ce           nouveau concept est formé d’une mèche de coton encirée, plongée dans de l’huile de tripes à faire brûler. L’huile, en remontant par capillarité, sous l’effet de la chaleur de la flamme, peut ainsi brûler sur une longue durée, contrairement aux chandelles qu’il fallait changer régulièrement. Une mèche de ce type correspondait à environs 30 bougies. La mèche est placée sous un réflecteur argenté qui réverbère la lumière vers le sol. Ces nouvelles lanternes ne seront installées qu’en 1766 et pendant plus de 30 ans, Dominique-François Bourgeois, élevé au rang de Bourgeois de Châteaublanc, deviendra l’acteur principal de l’éclairage de France.

 

 

En 1791, le français Philippe Lebon découvre le principe de l’éclairage par le gaz hydrogène carboné. Après plus de 20 ans de recherches, les premières lanternes au gaz font leur apparition, à Londres notamment, puis en France en 1829.

 

 

 

Au fils des siècles, le lampadaire a évolué, les techniques se sont améliorées pour mêler design et utilité. Aujoud'hui, on peut apprécier un grande diversité dans les styles de lampadaires: 

 Le lampadaire aux deux lampes permettant de diminuter la pollution visuelle tout en éclairant 2 voies.

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Le lampadaire détecteur de mouvement pour une consommation en énergie diminuer. On peut aussi remarquer le design floral permattant de mêler l'objet au monde alentour.

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Mais aussi le lampadaire effet ancien pour une touche de rétro dans les villes.

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Lors de ce projet notre but était de déterminer de quel manière il est possible d'améliorer le lampadaire de ville afin d'optimiser son utilisation. Ainsi nous avons utiliser la méthode TRIZ pour remplir notre objectif.

 

 III. Méthode TRIZ

a) Présentation de la méthode TRIZ

Lors de la première partie d’innov’INSA nous avons étudié la méthode triz qui permet de travailler sur des objets déjà existants afin de les modifier, de les améliorer. Cette méthode nous donne les outils nécessaires afin de déterminer les différents paramètres qui pourraient faire l’objet d’innovations. Ainsi, il faut respecter certaines étapes indispensables à la méthode TRIZ :

-       On commence par analyser le problème

-       Ensuite on analyse le produit dans sa globalité

-       Une analyse multi-écrans va être nécessaire pour pouvoir déterminer quels paramètres pourront être améliores

-       Puis on isole les contradictions physiques 

-       On va classer ensuite les ces différentes contradictions ainsi on va pouvoir en mettre en avant les différentes perspectives d’amélioration possible

-       Puis on finit par la conceptualisation des résolutions

 

Mais la méthode TRIZ n'a pas été notre seul outil lors de ce projet, nous avons pu utiliser le logicile steps pour nous guider.

b) Logiciel STEPS

Tout au long de ce projet nous avons utilisé le logiciel steps qui nous a permis de suivre chacune des étapes de la méthode TRIZ de manière rigoureuse.

Donc nous avons commencé par la partie analyse et plus précisément l’intégralité des parties :

 

 

Ainsi nous avons identifié les différents paramètres qui constituent notre projet : le lampadaire de ville, afin de déterminer quels sont les éléments principaux et comment ils sont liés entre eux.

 

Dans notre cas les parties principales sont : l’ampoule de verre, l’électricité et le poteau métallique. En effet, l’ampoule de verre va permettre de remplir la fonction principale du lampadaire qui est d’illuminer les rues afin que les piétons et voitures puissent circuler la nuit sans difficulté. Ensuite, il y a l’électricité, qui est indispensable car c’est celle-ci qui va fournir l’énergie nécessaire pour avoir la lumière. Enfin, il y a le poteau métallique monté sur les rues, sur lequel on va retrouver les ampoules et qui est suffisamment haut afin d’éclairer de manière claire.

L'étape suivante a été de déterminer quels lois sont intervenus dans notre projet et avec quel importance.

 

c) Loi d'évolution

A présent nous pouvons voir à partir de ce diagramme en étoiles l’état actuelle de la maturité de notre système représenté en bleu ci-dessous :

 

       

LOI 1 : Intégralité

 

       La loi 1 est une loi de naissance de la Fonction Principale Utile résultant de la synthèse de ces 4 composants. Ces 4 composants (moteur, transmission, travail, contrôle) essentiels dans la naissance d'un système technique sont bien présents et assurent correctement leur rôle dans la réalisation de la FPU, comme on peut le voir ci-dessous.

Donc cette loi est intégralement remplie, c'est pourquoi nous mettons la note de 5/5.

FPU (Fonction Principale Utile) : Éclaire

4 composants essentiels :

  •    Moteur : Énergie éléctrique du réseaux EDF
  •    Transmission : Cable
  •    Travail : Ampoule
  •    Contrôle : Cellule photoélectrique ou horloge.

                        -> EDF va fixer un horaire fixe pour allumer le lampadaire en début de soirée (agit sur l’élément de travail l'ampoule) et un autre horaire le matin pour éteindre la lampe.

 

LOI 2 : Efficience

La loi 2 se focalise autour du gain en efficience. L'objectif est qu'aucun des constituants ne bloque le libre passage de l’énergie pour assumer la FPU. Ainsi l'objectif est de gaspiller le moins possible l'énergie qui alimente le lampadaire donc à amener les pertes énergétiques à zéro sont faits.

Ici dans notre exemple, l'énergie pour assumer la FPU est l'énergie électrique du réseaux EDF. Or un tel volume d'électricité ne peut pas être acheminé jusqu'aux lampadaires sans perte. En effet, un phénomène d'effet joule se produit, c'est à dire la perte d'énergie qui se traduit par un dégagement de chaleur lors de la distribution du courant électrique.

Selon le gestionnaire ERDF les pertes déclarées sur les réseaux électriques français se stabilisent autour de 5-6 % depuis les années 2000 ; un tiers de ces pertes est lié au transport, les deux autres tiers à la distribution.

D'après ces chiffres les pertes énergétiques s'élèvent à 6 %, il est donc encore possible de maximiser le rapport « énergie entrante sur énergie sortante ». C'est pourquoi nous mettons la note de 4/5.

REMARQUE : selon nous « la pollution lumineuse » c’est-à-dire les pertes d’énergies quand les lampadaires éclairent alors qu’il n’y a pas besoin, n’interviennent pas dans cette loi.

 

LOI 3 : Harmonisation

La loi 3 cherche à optimiser la concordance de forme, de rythme, de couleurs, de régime pour entraîner un meilleur accomplissement de la FPU. Pour cela deux grandes voies s'ouvrent : amélioration de l'harmonie des formes ou l'harmonie de rythmes de fonctionnement.

Malgré le fait que l'ergonomie du lampadaire a légèrement changé, par exemple on trouve des lampadaires avec 2 lampes : une lampe haute coté routes pour éclairer les voitures et une lampe basse coté trottoir pour éclairer les piétons, le lampadaire suit encore très peu cette loi en termes d’harmonie des formes. Cependant certaines villes comme Toulouse ont bien développé l’harmonie de rythmes de fonctionnement. En effet, certains lampadaires peuvent faire varier l'intensité de la lumière en fonction de l’abondance de piétons. Un capteur de mouvement permettra de réduire l’intensité lumineuse lorsqu’il n’y a pas de piétons et au contraire assurera un éclairage maximum lorsqu’un piéton passera.

Comme l'ergonomie du lampadaire ne s'est pas assez harmonisé en matière de forme pour s'adapter à l'humain et que l’harmonisation entre intensité maximum et présence de piéton est encore peu adopté en ville, nous attribuons à cette loi la note de 3/5.

 

LOI 4 : Idéalité

La loi 4 tient à la dématérialisation de l'objet mais tout en assumant la fonction pour laquelle il a été inventé. Donc tout système technique tend vers son idéal en maximisant le rapport (performances du système technique sur dépenses qu’il consomme) jusqu’à l’infini. Cela voudrait dire que l’objet assume sa FPU sans aucune dépense.

Ici nous pouvons dire que cette loi n’est pas du tout respectée car l’objet qui apporte la lumière est toujours très présent voir imposant ; le lampadaire. De plus, pour avoir le rapport précédent qui tend vers l’infini il faut des grandes performances sur des toutes petites dépenses or selon nous les dépenses (énergies électriques) sont de l’ordre des performances (éclairages entre 70-150 Watts sodium selon l’utilisation) ce qui rend ce rapport proche de 1. C’est pourquoi nous attribuons à cette loi la note de 0/5.

 

LOI 5 : Irrégularité

La loi 5 exige d'analyser le système technique et ainsi de repérer si oui ou non, il existe un sous-composant déficient. Déficient signifie que c’est ce composant qui handicape l'efficacité du système tout entier et donc il faut l’amélioration en priorité.

Ici il existe un composant qui laisse apparaître des inégalités dans la durée de vie du lampadaire. Bien évidemment le sous-composant incriminé est l’ampoule. Or de nos jours, ces ampoules ont une durée de vie de 20 000h ce qui représente une autonomie d’environ 5ans pour un lampadaire. Cependant le support en l’acier inoxydable ou encore les optiques en polymères sont des matériaux qui peuvent résister plusieurs centaines d’années.

De ce fait nous attribuons à cette loi la note de 4/5, car nous avons identifié le composant déficient qui a un fort impact sur long terme mais qui nuit moins à l’échelle humaine (avoir des ampoules à changer tous les 5ans est raisonnable).   

 

LOI 6 : Surpersystème

La loi 6 s'interroger sur la fin de vie du système technique et plus particulièrement s’il est possible d’inventer des hypothèses d’évolutions à multiples facettes. C’est-à-dire si l’invention d’un nouveau supersystème pourrai reprenne à son compte la FPU de notre système technique ce qui engendrerai petit à petit sa disparition.

Pour que cette loi soit respectée il faut trouver un supersystème qui permette de reprendre à son compte la FPU du lampadaire. C’est-à-dire qu’un nouvel objet destiné à faire quelque chose d’autre puisse également répondre au besoin d’éclairer un espace public. Bien qu’on puisse penser que les phares des voitures ou encore un dispositif d’éclairage sur le piéton (type lampe torche) pourrai suffire à l’éclairage public, ceci n’est pas valable. Car pour éclairer il faut avoir une lumière allant de haut vers le bas sinon on éblouit. Donc selon nous, le cycle de vie du lampadaire ne touche pas à sa fin, le lampadaire n’est pas prêt de disparaître de nos villes, il est même plutôt en phase de maturité (au lieu de penser à le supprimer on l’améliore ce qui va à l’encontre de cette loi) 

C’est pourquoi aujourd’hui nous attribuons à cette loi la note de 0/5, mais c’est une loi qui peut varier très vite car nous ne sommes pas à l’abri d’une nouvelle invention.

 

LOI 7 : Microniveau

La loi 7 parle de transition du macroniveau vers le microniveau. C’est-à-dire que tous les systèmes techniques évoluent du solide vers l'état plasma en passant par l'état gazeux ou le liquide. En conclusion, l’évolution de l’efficience de le FPU suit cette logique : Solide-Liquide-Gaz-Plasma.

Le lampadaire, par tous ces constituants, est sous forme solide. La FPU « éclaire » est réalisé par l’ampoule qui est un objet physique matériel solide. En effet, en aucun cas le système éclaire grâce à un liquide ou gaz fluorescent. Donc selon le modèle Solide-Liquide-Gaz-Plasma, le lampadaire est resté à la première phrase de l’évolution. C’est pourquoi nous attribuons à cette loi la note de 0/5.

 

LOI 8 : Dynamisation

La loi 8 propose de dynamiser le système technique en lui apportant plus de flexibilité ce qui résulterait une meilleure efficacité de la FPU. Cette logique de dynamisation peut se concevoir en suivant ce modèle : Monobloc, 1 pivot, Plusieurs pivots, Flexible (souple).

Pour ce qui est du lampadaire, cette invention ne suit pas cette loi de dynamisation car il est construit en un monobloc et qu’il n’y pas gagner en flexibilité. En effet, il ne laisse apparaître aucun degré de liberté supplémentaire qui se traduirai par l’introduction d’une ou plusieurs liaisons pivots. Nous n’avons jamais vu de lampadaire dont les bras ou les ampoules tournent pour mieux éclairer.

C’est pourquoi nous lui attribuons la note de 0/5.

 

LOI 9 : Substances-champs

La loi 9 revient à ajouter un surplus fonctionnel à l’objet mais cet ajout doit être nécessairement utile à l’accroissement de de la pertinence de la FPU sans pour autant être un simple empilement de fonctions. De ce fait, cet ajout doit être synonyme d’une simplification ou d’une fusion de plusieurs systèmes techniques.

Aujourd’hui l’ajout d’un surplus fonctionnel utile et encore très faible sur le lampadaire hormis qu’ils peuvent servir de « panneau publicitaire » temporaire pour le cirque par exemple. Mais les possibilités sont larges et variées. En effet, on pourrait très bien imaginer un système pour recharger sa voiture électrique sur un lampadaire juste en fusionnant l’arrivée de l’énergie électrique. De plus, certaines villes comme Chartres réfléchissent sur le fait que le lampadaire pourrait servir en un moyen de télécommunication (par exemple comme détecteurs de stationnement ou capteurs de remplissage des poubelles). 

Comme le développement de cette loi n’est qu’à ces débuts et qu’elle est très prometteuse nous lui attribuons la note de 2/5.

Ensuite nous sommes passés à l'analyse multiécrans.

 

d) Analyse multiécrans

Après avoir déterminé ces éléments principaux du lampadaire de ville, nous avons pu passer à l’étape suivante du logiciel steps qui est l’analyse multi-écrans. Cette fonction va nous permettre d’étudier les évolutions qui à subit le lampadaire de ville au cours du temps, afin de comprendre quels paramètres ont déjà été améliorés et ainsi ceux qui pourront l’être dans le futur.

Pour le passé nous avons choisi la lanterne à l’huile qui éclairait les rues bien avant les lampadaires de ville de nos jours.

Ainsi, pour nous aider dans cette analyse, celle-ci a été divisé en deux parties :

-       Super système : représente l’ensemble des interactions subit par l’objet. Dans notre cas nous en avons identifié trois principaux : deux qui n’ont pas changé avec le temps, c’est-à-dire les hommes et la rue et la dernière qui au temps des lanternes à huile était la flamme et qui est devenue aujourd’hui l’énergie.

-       Nous avons également un sous-système : celui-ci regroupe les différents éléments constituant notre objet. Ce système a considérablement changé depuis la lampe à huile, ce qui n’est pas surprenant.

Ainsi, cette analyse nous a permis de mettre en avant ce qui a été amélioré depuis la lanterne à huile mais également les différents paramètres qui mériteraient peut-être encore une certaine réflexion.

Ensuite il a fallu travailler sur la partie paramètres et polycontradictions.

 

e) Paramètres et polycontradictions

Cette étape consiste à illustrer notre projet, le lampadaire de ville à travers diverses contradictions.

Ces contradictions ont été séparés en deux parties:

- il y a tout d'abord ce qu'on retrouve sous l'acronyme PA qui désigne les paramètres d'action

- puis, PE qui sont les paramètres d'évaluation

 

 

Poids des contradictions

Les contradictions plus a droite représentent les facteurs plus importantes dans le système, ça veut dire ceux qui influent plus dans l'état actuel du lampadaire. On a remarqué que les contradictions TC 2.2 et TC 2.3 sont les plus importants et les deux sont liées a l'hauteur du lampadaire. Donc on a choisi de resoudre la matrix de contradictions pour ces deux contradictions.

 

Matrix des contradictions

TC 2.2

Pour resoudre cette contradiction, on doit avoir un lampadaire au même temps haut pour bien illuminer (PE 6) et bas pour ne pas dépenser trop de matériel et ainsi avoir un bas coût de fabrication (PE 7). Pour l'aire illuminée, on a choisi comme paramètres génériques d'ingénierie (PG) l'intensité d'illumination et la perte énergétique. Pour le coût de fabrication, on a choisi la quantité de susbtance et la facilité de production.

Les principes inventifs suggérés ont été le 35, 19, 21, 7, 1, 18, 32, 25, 2, 39 et 22.

On a choisi travailler avec le principe 25, le self-service. Pour ce principe, on fait l'objet se servir en utilisant fonctions auxiliaires ou on utilise des resources gaspillés (énergie, substance) pour servir l'objet.

 

Pour le self-service:

Hypothèse: un lampadaire qui génére sa propre énergie

Lois: Idealité / Transition vers le super-système / Transition vers le micro-niveau

Contradiction: La hauteur du lampadaire pour l'espace illuminée doit être au même temps haut pour satisfaire l'aire illuminée et bas pour satisfaire le coût de fabrication.

Description: Un lampadaire de ville construit en matériaux recyclables qui génére sa propre énergie à travers des panneaux solaires.

Avantage: Diminution du côut de fabrication par l'utilisation des matériaux recyclables et diminution de l'utilisation d'énergie électrique.

Désavantage: Utilisable juste dans les endroits ensoleillés.

Risque: Possibilité de besoin de manutention des panneaux.

Observations: On peut utiliser des matériaux recyclables comme le bois ou les plastiques déjà recyclés. 

Schéma

 

TC 2.3

 

Pour resoudre cette contradiction, on doit avoir un lampadaire au même temps haut pour bien illuminer (PE 6) et bas pour ne pas polluer visuellement la rue (PE 11). Pour l'aire illuminée, on a choisi comme paramètres génériques d'ingénierie (PG) l'intensité d'illumination et la longueur du lampadaire. Pour la pollution visuelle on a choisi le volume du objet et sa forme.

Les principes inventifs suggérés ont été le 35, 32, 14, 13, 30, 8, 15, 2, 7.

On a choisi travailler avec le principe 15, la dynamisation. Pour ce principe, on partage l'objet pour que ces differents parties se déplacent entre eux, ce qui démonstre aussi le principe 7. On peut aussi flexibiliser l'objet pour qu'il soit adaptable.

On a aussi choisi le principe 14, sphericité, où on utilise des parties sphériques ou des moviments rotatoires dans l'objet.

 

Pour la dynamisation:

Hypothèse: un lampadaire qui ne pollue pas visuellement

Lois: Idealité / Transition vers le super-système / Transition vers le micro-niveau

Contradiction: La hauteur du lampadaire pour l'espace illuminée doit être au même temps haut pour satisfaire l'aire illuminée et bas pour satisfaire la pollution visuelle.

Description: Un lampadaire de ville pliable qui peut être caché en dessous des trottoirs.

Avantage: Diminution de la pollution visuelle et augmentation de l'aire illuminée et de l'espace dans le trottoir.

Désavantage: Augmentation de la complexité de fabrication.

Risque: Possibilité de besoin de manutention.

Observations: La pollution visuelle peut être diminué car le lampadaire sera caché en dessous de la terre. Avec l'addition des joints dans la structure, on augmente la possibilité de mouvement du lampadaire et ainsi l'aire qu'il peut illuminer. On peut utiliser un matériau recyclable ou naturel comme le bois pour fabriquer les joints.

Schéma

 

Pour la sphericité:

Hypothèse: un lampadaire qu'utilise moins d'énergie.

Lois: Idealité / Transition vers le super-système / Transition vers le micro-niveau

Contradiction: La hauteur du lampadaire pour l'espace illuminée doit être au même temps haut pour satisfaire l'aire illuminée et bas pour satisfaire la pollution visuelle.

Description: Un lampadaire de ville avec une tête rotatif qui génére de l'énergie.

Avantage: Augmentation de l'aire illuminée et reduction de l'énergie électrique utilisée.

Désavantage: Augmentation de la complexité de fabrication.

Risque: Possibilité de besoin de manutention.

Observations: Le lampadaire de ville avec une tête rotatif permet d'illuminer une aire circulaire plus grande que le lampadaire normale. Avec la rotation, on disperse plus de la lumière, ce qui diminue la pollution visuelle dans un point spécifique. Il peut avoir deux modes de fonctionnement: (a) Mode rue plein de personnes: La tête tourne dans une vitesse constante. (b) Mode rue vide/nuit: La tête tourne dans une vitesse constant mais elle a un capteur de mouvement. 

Schéma:

 

Projet STEPS

Vous pouvez trouver notre projet sur le logiciel STEPS en le téléchargeant sur le lien suivant:

https://dl.dropboxusercontent.com/u/24001729/project_last.idm

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