Physics-Informed Deterioration Modeling and Maintenance Optimization Using Stochastic Petri Nets : Application to Torrent Protection Structures

Les risques naturels en montagne constituent une menace pour les habitants, les propriétés et les infrastructures. Plusieurs structures de protection sont construites dans ces zones afin de réduire le risque induit et de protéger les éléments vulnérables exposés. Ces structures constituent des systèmes critiques interdépendants à composants multiples qui se détériorent avec le temps en raison des phénomènes violents auxquels ils sont soumis depuis leur construction. La propagation des dommages est influencée par les dépendances entre les différents modes de défaillance et entre les structures elles-mêmes. Ces événements en cascade réduisent l'efficacité du système global en matière de protection. Par conséquent, s'ils ne sont pas entretenus régulièrement, le niveau de protection offert par ces structures sera réduit. En raison des ressources budgétaires limitées, il est essentiel d'identifier les types de défaillances les plus critiques et les dépendances existantes afin de définir l'état de dégradation à partir duquel la maintenance préventive doit être effectuée. Par conséquent, il est très important d'effectuer une analyse de fiabilité de ces systèmes. Cela nécessite d'analyser la détérioration dynamique de chaque structure et les effets locaux ou distants de son indisponibilité partielle ou totale sur les autres structures impliquées dans un système multi-composants. La méthodologie présentée dans ce projet intègre des modèles basés sur la physique et sur la fiabilité pour suivre l'évolution de l'état des structures de protection et améliorer les processus de décision en matière de maintenance. L'approche de modélisation proposée est basée sur (1) une modélisation basée sur la physique pour identifier les lois probabilistes des temps de transition entre les états définis de la structure en fonction de son comportement dans le temps et (2) une méthode d'aide à la décision basée sur les réseaux de Petri, qui aide à choisir la meilleure stratégie de maintenance tout en considérant les contraintes budgétaires. Dans ce contexte, les décisions entreprises dépendent toujours de la quantité de données disponibles, de sources diverses, d'hypothèses, etc. Par conséquent, cette étude se concentre également sur l'évaluation de l'influence des entrées incertaines sur les sorties obtenues à partir des modèles de détérioration et de maintenance. Les modèles développés sont appliqués à deux structures de protection différentes (barrages de correction et systèmes de rétention) soumises à différents types de phénomènes naturels ( crues d'eau claire et laves torrentielles). Les résultats obtenus permettent d'analyser le comportement d'une structure en fonction du temps et de prioriser plusieurs stratégies de maintenance proposées en tenant compte des contraintes économiques et de l'efficacité de chaque stratégie pour augmenter le temps de disponibilité de la structure dans des états non critiques.Natural hazards in mountains pose threat to people, properties and infrastructures. Several protection structures are implemented in such areas aiming to reduce the induced risk and to protect vulnerable exposed issues. These structures constitute critical interdependent multi-component systems that deteriorates over time due to the harsh phenomena they are subjected to since their construction. The propagation of damage is influenced by the dependencies between different failure modes and between the structures themselves. Such cascading events reduce the efficacy of the overall system in providing protection. Hence, if not regularly maintained, the level of protection offered by these structures will be reduced. Due to limited budgetary resources, it is essential to identify the most critical types of failures and existing dependencies in order to capture the state of degradation at which preventive maintenance should be carried out. Consequently, performing a reliability analysis of such systems is highly important. This requires analyzing the dynamic deterioration of each structure and the local or distant effects of its partial or total unavailability on other structures involved in a multi-component system. The methodology presented in this project integrates physics-based and reliability-based models for monitoring the state evolution of protection structures and improving maintenance decision-making processes. The modeling approach proposed is based on (1) physics-based modeling for identifying the probabilistic laws of the transition times between the defined states of the structure depending on its behavior over time and (2) a decision aiding method based on Petri nets, which helps in choosing the best maintenance strategy while considering budgetary constraints. In this context, undertaken decisions always depend on the amount of available data, diverse sources, assumptions, etc. Consequently, this study also focuses on assessing the influence of uncertain inputs on the outputs obtained from deterioration and maintenance models. The developed models are applied on two different protection structures (check dams and retention systems) subjected to different types of natural phenomena (clear water floods and debris flows. The achieved results permit to analyze the time-dependent behavior of a structure and to prioritize several proposed maintenance strategies taking into consideration economic constraints and the efficiency of each strategy in increasing the availability time of the structure in non-critical states