Statut et nature des processus de conception que nous utilisons en électrotechnique et possible rationalisation et automatisation

30/08/2017
Publication REE REE 2006-6
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-6:19711
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Statut et nature des processus de conception que nous utilisons en électrotechnique et possible rationalisation et automatisation

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            <title>Statut et nature des processus de conception que nous utilisons en électrotechnique et possible rationalisation et automatisation</title></titles>
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        <publicationYear>2017</publicationYear>
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	    <date dateType="Created">Wed 30 Aug 2017</date>
	    <date dateType="Updated">Wed 30 Aug 2017</date>
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Statut et nature des processus de conception que nous utilisons en électrotechnique et possible rationalisation et automatisation [EpBS Conception, Méthodologie, Dimensionnement, Innovation, Systèmesexperts F. WURTZ LEG - INPGIUJF-CNRS. UMR5529 -ENSIEG 1. Raisons et enjeux d'une reflexion sur le caractère automatisable de la concep- tion en genie electrique Cet article vise à répondre à la question de base suivante : QI : L'activité de conception en général, et dans le génieélectrique en particulier, peut-elle, et doit-elle êtreen e.-g entièrement rationalisée, voire automatisée ? Pourquoi cette question ? En fait, en travaillant sur des outils logiciels dont la vocation est de faciliter la conception des dispositifs du génie électrique, je me suis rendu compte que cette question est permanente. Même si elle est rarement formulée de façon aussi explicite et pro- vocante, elle doit en fait être régulièrement argumentée face, notamment, à 2 deux attitudes extrêmes : l'Une réaction de rejet massif : la conception n'a rien à attendre d'une N' nouvelle génération de logi- ciels d'aide à la conception qui n'ont jamais tenu leurs promesses ; la conception est du ressort seul des acteurs humains. 2° Une réaction d'adoption massive : le logiciel va enfin nous permettre de rationaliser, de normaliser et d'automatiser la conception. Cet article formalise une argumentation en trois points que nous employons depuis quelques temps dans l'équipe Conception et dimensionnement intégrés du LEG pour gérer cette problématique. l'L'activité de conception ne peut pas être entière- ment rationalisée et automatisée, car c'est d'une part impossible, et c'est d'autre part non souhaita- ble et non productif. 2'L'activité de conception est d'une part constituée d'activités dites compliquées, qu'il est effective- ment possible, voire nécessaire d'automatiser sous forme logicielle (en raison d'un grand nombre de paramètres, de contraintes, de la nécessité de gérer une vision système multi-physiques et multi-com- posants, d'accélérer les cycles de conception...). 3'Mais l'activité de conception est aussi constituée d'activités dites complexes, qu'il est non souhaita- ble, et d'ailleurs impossible d'automatiser par approche logicielle. Cet article propose une justification à cette argumen- ESSENTIEL Lélectrotechnique du futur va être impliquée dans des enjeux majeurs : production, transport et conversionde l'énergie, appli- cations biomédicales, microsystèmes... Face à ces enjeux, cet article propose une approchepour définir quelle doit être la place relative des acteurs humains et des outils logiciels dans les bureaux de R&D ou dans les laboratoiresde recherchedans les activités de conception. Les fondements de cette approchesont étayés par diverses caractérisationsde l'activité de conception issuesde domaines externesau génie électrique.Cette approche est mise en contexte danslasituationde conceptiontypique d'un alternateur. SYNOPSIS Electricalengineeringwill be involvedin majorchallengesin the nextyears: production,distributionandconversionof energy,bio- medicalapplications,microsystems,...ln face of those challen- ges, this paperproposesan approachin orderto definewhat shouldbethe relativeplacebetweenhumanactorsandsoftware toolsin designactivitesof R&Ddepartmentor researchlaborato- ries.Basisof thisapproacharefoundin differentcharacterisation ofthe designactivitycomingfromresearchfieldsexternaltoelec- tricalengineering.Thisapproachisillustratedbythe designactivity of an alternator. REE W 6/7 Jui ; i/juillet 2006 Statut et nature des processus de conception que nous utilisons en électrotechnique et possible rationalisation et automatisation. tation. Pour cela nous allons caractériser ce qu'est l'acti- vité de conception, avec une vision « système » intégrant le(s) acteur(s) humain (s) en puisant dans des domaines externes au génie électrique. Nous nous en inspirerons pour construire un modèle affinant la typologie des acti- vités complexes et compliquées, en argumentant pour- quoi les « complexes » sont réfractaires à l'automatisa- tion. Nous montrerons enfin comment ce modèle permet de distinguer desactivités automatisableset non automa- tisables dansune situation typique de conception en génie électrique, en vue d'une mise en place d'une stratégie d'aide à la conception efficace. d'optimisation ( [7] [8], [9], [10], [11],) jusqu'aux systè- mes experts [12], [13]. Les découpagessystèmesétudiés les plus larges sont de l'ordre de la systémique : une vision multi-physiques et multi-composants [14]. C'est un éclairage pertinent et qui doit faire encore l'objet de nombreusesrecherches.Pour répondre à Ql, il est cepen- dant nécessaired'avoir encore une autre vision système, intégrant en plus le(s) concepteur(s) (cf. figure 1), ainsi que cela a été fait dans [15]. Il s'agit là du point de vue qui est classiquement étudié dans des disciplines comme les sciencesdesorganisations [18], [17], les sciencescog- nitives ou l'ergonomie cognitive [1], [2]. Réseau i électriquei1 "':n- h' et ----/' " .- \ - " -/. ; F fi'1 \ " "\/ \ Logiciel d'aide et à la conception et... ''£... - 1 '\',,', L..Q)' ; r :} ",, '.'f. Acteurs humains \,./jjOtj \ -!!' ! 9".. " y' ?*!' \ xu r.m r 6 s\ \, " " - \'L ;. \ ! -'' t'.L'- " -'' t\ '*'. ! ' y,,.' ;. '''.; "- .' " - ' !''.', : " ..1 y ki icssort jn'mdcm Ainnt pfimunpnt puotectiou 7l 71 \'\ "'*. jis Figitres 2, Différcntes soltitions pi-oposées datis [20] face à iin iiiëliie cahiei- des chai-ges. REE N 6/7 JLiin/juillet 2006 tâche, l'activité peut être menée par un logiciel, un acteur humain, ou une combinaison des deux en mobilisant un certain type de ressources. 1) Activités de type c : les activités compliquées Ce type comprend les activités qu'on peut automatiser par logiciel. On y manipule des informations claires (cf. des symboles, des variables, des chiffres, y compris des chiffres tolérancés qui, s'ils modélisent une incerti- tude, constituent en eux-mêmes une information claire...), éventuellement en grand nombre, mais qu'on peut traiter avec des algorithmes, des règles. En génie électrique, il s'agit de résolutions de problèmes d'ana- lyse, de dimensionnement par optimisation (dès lors que ceux-ci sont bien posés). Ces activités relèvent de SIP. 2) Activités de type C : les activités complexes Ce type comprend les activités irréductibles à une informatisation complète, et donc une automatisation sans présence d'un acteur humain. Cela résulte des pro- priétés, complexes, de ces activités caractérisées par l'ap- proche S-C : on y manipule des données incomplètes, ambiguës, non fiables (penser par exemple aux caractéris- tiques des matériaux non complètement connues). Ces activités ont des propriétés de non-déterminisme, de multiples embranchements possibles.... Elles impliquent donc des choix discutables et une prise de risques. Typiquement il peut s'agir de l'activité du choix des hypothèses d'un modèle, des choix de degrés de liberté qu'on fige dans un problème de conception trop large dans les phases identifiées par I-D... Cette complexité se manifeste notamment, lorsque face à un même cahier des charges, différents concepteurs trouvent des solutions dis- tinctes (voir figure.2 pour la conception d'un actionneur linéaire conçu par différents groupes d'étudiants face au même cahier des charges [20] ou [5] où l'on observera des phénomènes similaires pour la conception de machi- nes tournantes). B. Une typologie de ressources disponibles En face de la typologie des activités, nous introdui- sons trois types de ressources. 1) Ressources 1.- les systèmes formels finis Ces ressources sont typiquement les méthodes et les algorithmes... automatisables dans des ordinateurs (i.e. le logiciel). On peut montrer que ce logiciel fait partie de ce qu'on appelle les systèmes formels finis [6], [19] : un lan- gage, avec des données et des opérateurs permettant de produire de nouvelles données. 2) Ressources 2'.- les stratégies a) Qu'est ce qu'une stratégie ? Une stratégie est une ligne de conduite à tenir pour atteindre un but : typiquement le but d'une activité. Cependant, si le but à atteindre est défini, la mise en ceuvre nécessite une réadaptation dynamique aux contex- tes et aux objectifs que la stratégie contribue elle-même à modifier récursivement (on retrouve des propriétés défi- nies dans l'approche S-C [23]). Cette adaptation perma- nente nécessite la présence d'acteurs humains [23]. On identifiera 2 types de stratégies. b) Ressources 2'a. Les stratégies rationnelles Elles sont mobilisées lorsque le but est la mise en oeuvre de ressources formelles de type 1 (cf. une méthode d'optimisation pour dimensionner, ou une approche de modélisation comme une méthode de modélisation numé- rique par réseaux de réluctance [25]). Il s'agit bien de stratégies, car même si le but est clair (dimensionner ou optimiser avec une approche logicielle donnée), la mise en oeuvre nécessite une mise en forme du problème avec des hypothèses et des choix, discutables, et non uniques à trancher en fonction du contexte et des objectifs par des acteurs humains, dans un cadre ambigu, mal posé ou des choses sont incertaines, non figées, ouvertes.... Par ail- leurs les choix faits vont générer de nouveaux contextes et de nouveaux objectifs (cf. la formulation des contrain- tes et des objectifs qui évoluent au fur et à mesure qu'on fait de l'optimisation [26]). Ces stratégies rationnelles sont donc les activités permettant de transformer un problème complexe et mal posé en un, ou en suite de, problème (s) compliqué (s), sol- vables par logiciel dans le cadre de SIP. Cette activité pré- sente en elle-même les attributs de la complexité identi- fiés par S-C. c) Ressources 2'b.- les stratégies heuristiques, eapiriques et opportunistes Elles sont mises en oeuvre par des acteurs humains soucieux d'aller rapidement et économiquement (d'un point de vue cognitif [1], [2]) vers une solution, tout en pouvant se montrer extrêmement efficaces, lorsqu'elles sont notamment mises en oeuvre par un expert. Des exem- ples typiques sont le raisonnement par analogie, par intui- tion... Ces stratégies sont bien identifiées par l'approche COG de la conception : elles sont adaptées au fonction- nement cognitif des acteurs humains, en permettant de proposer des solutions compatibles avec leurs propriétés cognitives, et leur permettent de produire des solutions avec un effort minimal. 3) Ressources 3'.- la chance et le hors-rationnel Aussi paradoxal que cela puisse paraître nombre de solutions d'innovation sont le fruit de la chance (Hertz découvre par hasard le rayonnement électromagnétique [27]) ou de raisonnements hors du cadre rationnel des connaissances disponibles à un moment donné. Ainsi la première tentative fructueuse de liaison de l'Amérique à l'Europe par voie hertzienne était illogique, car les ondes se déplaçant en ligne droite, elles ne pou- vaient suivre la courbure terrestre. Le cadre d'explication ne viendra que bien plus tard avec la découverte de l'io- nosphère [28]. La chance, le hors-rationnel sont donc REE Nu 6/7 Juiii/juillet 2006 Statut et nature des processus de conception que nous utilisons en électrotechnique et aossible rationalisation et automatisation ·et possible rationalisation et automatisation Type 1' : Systèmes formels finis Type 2° : Stratégies Type 2 a : Rationnelles Type 2 b : Heuristiques, empiriques, opportunistes Type 3° : Chance et hors rationalité Type c : compliquée j coIl'1 11, " 1 1 il o : 1',t,1 Il x x Type C : complexe x , \.. 1011 " el lm 1 1 Il 11..f, p E== Figzrres 3. La matrice activités-ressources. bien des ressources, mais qui nécessitent la présence d'un acteur humain donnant du sens à la conjonction fortuite ou osant passer outre le cadre rationnel, par intuition notam- ment. La théorie C-K offre un cadre pennettant d'analyser de telles dynamiques de conception. en légitimant des pha- ses d'évolution dans un espace hors-rationalité (l'espace C des concepts). C. La matrice activités-ressources On peut synthétiser la modélisation qu'on propose par une matrice activité-ressources représentée sur la figure 3. Dans c-l° : on trouve les activités menées par des acteurs logiciels accomplissant les activités compliquées en utilisant la ressource des systèmes formels finis. Dans C-2°.a : on trouve les activités menées par des acteurs humains déployant une stratégie rationnelle en vue de formuler des problèmes pour des activités c-l°. Dans C-2°.b : on trouve les activités menées par des acteurs humains mobilisant des stratégies heuristiques, empiriques et opportunistes. Dans C-3° : on trouve des acteurs humains exploitant les ressources que peuvent offrir la chance et l'exploration du hors-rationnalité. 4. Pour en déduire une impossible et une indésirable automatisation complète de la conception Grâce à la modélisation de la conception proposée précédemment, répondre à Ql revient à répondre à Q2 : Q2 : Est-ilpossible de supprimer toutes les activités de type C au profit des seules activités c-IO ? On argumentera que cet objectif ne peut pas, et ne doit pas constituer un objectif, pour plusieurs raisons. 1) Un objectif impossible par limite des ressources Les systèmes formels finis (ressources 1') ont intrin- sèquement des limites mises en évidence en logique grâce au théorème de Gôdel [6], [19]. Ce théorème est un résultat fondamental et de même nature que la relation d'incertitude d'Heisenberg, ou l'impossibilité du mouve- ment perpétuel, car il identifie une limite impossible à franchir. C'est l'un des résultats qui pousse à modifier le statut et la nature des connaissances que nous utilisons dans nos processus de conception [22]. Ce théorème peut servir de base à une argumentation expliquant pourquoi l'intelligence artificielle n'est pas en mesure de tenir les promesses qu'elle avait annoncées [19]. Il établit deux résultats : d'une part un système formel fini ne peut à la fois être consistant (signifiant qu'il ne se contredit pas lui-même) et complet (accéder à toutes les vérités), et d'autre part il ne peut justifier dans son propre forma- lisme ses fondements. Nous ne retiendrons ici que le second résultat, qui explique certainement pourquoi, en génie électrique, cette légitimation est toujours réalisée en dernier lieu par un acteur humain qui met en oeuvre une stratégie rationnelle (activité C-2°.a), au prix de choix, d'hypothèses... Dohc, la mise en ceuvre d'une activité c est conditionnée Dar la mobilisation nécessaire d'une activité de Ue C-2'a. La réponse à Q2 est donc négative. 2) C'est ensuite un objectif indésirable L'argument principal pour démontrer que c'est un objec- tif indésirable est le suivant : vouloir se ramener uniquement REE N 6/7 Juin/juillet2006 ./ à des approches fonnelles et rationnelles nous amènerait sans doute à nous priver des ressources de type 3', et empêcherait ainsi les innovations les plus radicales d'émerger. 5. La dynamique de déploiement des activités A Une récursion complexe compliquée Cette décomposition en activités complexes et com- pliquées permet d'identifier une partie de la dynamique de conception comme étant une récursion non prévisible entre activités complexes, dont il résulte des activités compliquées qu'on peut sous-traiter à un ordinateur. Une dynamique constante a été identifiée : toute activité com- pliquée (type c- l') ne peut être que le préalable d'une activité complexe de type C-2°a. Ce qui permet, en par- tie, de conceptualiser cette dynamique est de penser à une spirale dont chaque cycle modifie le contexte, les objec- tifs, et les cycles de la spirale convergent vers un but qui est de concevoir un objet (pas forcément l'objet imaginé initialement d'ailleurs). B. Emergence des activités et des embranchements Si le point précédent s'interroge sur la dynamique d'enchaînement des activités, on peut aussi dire quelques mots sur la dynamique d'émergence des activités : elle est non-déterministe, car en partie opportuniste en fonction des ressources disponibles, de la compétence et de la connaissance des concepteurs (qui connaissent ou ne connaissent pas l'approche de simulation par réluctance, de dimensionnement par optimisation, disposent ou ne disposent pas des outils logiciels correspondants, ont eu connaissance ou pas du nouveau matériau qui va leur per- mettre d'innover...). En bref la dynamique de la conception a elle-même les propriétés de complexité identifiées par S-C. Sa com- préhension reste certainement encore un sujet de recher- che ouvert, même si des approches comme C-K nous offrent déjà des éclairages sur la question. Ce dont il faut en tout cas être conscient, c'est que la vision classique, représentant le processus de conception sous forme d'or- ganigramme, reste certes une vision indispensable et structurante, mais elle demeure non-suffisante pour ren- dre compte du caractère complexe de la conception. 6. Application a la conception en génie électrique A. Description des activités de conception étudiées Nous allons mettre la typologie proposée par la matrice ressource activité (voir fig. 3) dans le contexte de la conception en génie électrique dans ce qui est l'activité typique : la conception d'un déclencheur ou d'un alterna- teurs à griffes. Nous allons appliquer cela à trois niveaux activités qui s'articulent récursivement, et qui sont l'acti- vité de conception globale, une activité de simulation, et une activité de dimensionnement par optimisation. B. Application à l'activité de conception globale L'activité de conception, vue à un niveau global, est une activité de choix de structures et de technologies, innovante ou par combinaison de technologies existantes, de dimensionnement avec les contraintes de prix, d'en- combrement, de rendement... Cette activité se décom- pose récursivement en sous-activités qu'on peut classifier dans la matrice activités - ressources ainsi : Activités de type c-l' : optiiniser (en utilisant un algo- rithme gradient, génétique...), simuler (en utilisant une approche réseau de réluctances) dans le cadre d'un pro- blème bien formulé. Activités de type C-2'a : ce sont les activités de stra- tégie rationnelle dont le but est de faire les choix, les hypothèses en vue de formuler des problèmes solubles pour un but précis et qui seront résolus par une activité de type c,l ° : . Arriver à formuler des choix, des hypothèses... pour simuler un flux magnétique à vide par une approche réseaux de réluctances, . Arriver à formuler des choix, des hypothèses... pour dimensionner la structure par une approche par opti- misation Activités de type C-2'b : il peut s'agir des activités de choix de structure par analogie (choix des alternateurs à griffe parce que c'est la solution classique), par raisonne- ment qualitatif (choix d'une topologie d'alternateur à bobinage en épingle pour avoir plus de puissance massi- que), par intuition... Activités de type C-3 : il s'agit des activités qui dans le contexte de la conception d'un alternateur ou d'un déclen- cheur sont : susciter l'émergence de l'idée nouvelle, comme une nouvelle topologie de machine, l'emploi d'un concept, d'un matériau, d'un composant nouveau... Ce dernier type d'activité ne peut être contrôlé et piloté. On peut en revanche espérer en favoriser l'émergence en utili- sant une approche type brainstonning, comme TRIZ [4]. C. Application à une activité de calcul Récursivement, on peut analyserune activité de modélisation par une approche numérique comme les éléments finis, ou une approche semi-numérique, comme les réseaux de réluctance, comme étanten elle-même une activité de conception, qui peut se décomposeren activités identifiables dansla matrice activités-res- sources.Ainsi si le but est le calcul du comportement électroma- gnétique d'un alternateur magnétique. Activités de type c-7 : un exemple d'activité de ce REE Nc 6/7 Juiti/juillet 2006 Statut et nature des processus de conception que nous utilisons en électrotechnique et possible rationalisation et automatisation. r e type peut être : résoudre un réseau de réluctance, activité compliquée qui elle-même se décompose en activités compliquées, comme construire la matrice de réluctances, résoudre le système non linéaire NxI=R « D) (P [25], [29]. Activités de type C-2.a : il s'agit d'arriver à formuler des choix, des hypothèses... pour le calcul du comporte- ment électromagnétique par une approche réseaux de réluctances, ou par une approche par éléments finis... Activités de type C-2.b : on va retrouver des activités de ce type lorsque le concepteur va raisonner par analo- gie avec des cas similaires pour par exemple choisir l'ap- proche de calcul (ainsi on va prendre l'approche par réseaux de réluctances pour l'alternateur, car on l'a vu fonctionner sur le déclencheur), on va s'inspirer de cas analogues pour construire la topologie du réseau, construire les réluctances, on va faire certains choix par intuition... Activités de type C-3 : imaginer, trouver une méthode innovante pour calculer le flux électromagnétique. D. Application à une activité de dimensionnement De la même manière, on peut analyser une activité de dimensionnement d'alternateur ou de déclencheur par la matrice activités-ressources. Activités de type c-1 : une activité de ce type est résoudre le problème d'optimisation, avec un modèle construit, un cahier des charges fixé, un algorithme d'op- timisation choisi. Activités de type C-2.a : arriver à formuler des choix, des hypothèses... sur le modèle à construire, sur les contraintes exprimées dans le cahier des charges pour dimensionner la structure par une approche par optimisa- tion. La référence [26] montre cette activité pour le cas de machines électriques tournantes rapides. Activités de type C-2.b : il s'agit des activités de choix de la méthode d'optimisation, de l'approche de modélisa- tion, des hypothèses sur la formulation des contraintes, des objectifs par analogie, par intuition... Activités de type C-3 : imaginer, trouver une méthode innovante pour réaliser le dimensionnement. E. Des architectures logicielles au service de la dyna- mique de conception mise en évidence Cette séparation des activités complexes et compli- quées permet de spécifier des architectures logicielles support de la conception avec l'esprit suivant : les outils logiciels doivent servir de support aux activités compli- quées et doivent permettre au concepteur d'exprimer sa créativité. C'est cette stratégie qui nous a permis de spé- cifier des architectures logicielles, avec une vision glo- bale du processus de conception intégrant l'acteur humain [15]. 7. Et arriver a une stratégie de mise en place des systèmes de conception En fait, on peut généraliser la stratégie de mise en place d'un système de conception global, intégrant l'ac- teur humain, et spécifiant les outils logiciels support par la démarche suivante : l'Identifier des activités complexes ayant des pro- priétés complexes et les activités compliquées, 2'Rationalisation et automatisation des activités compliquées par approche logicielle, 3'Recommencez le processus (si vous le pouvez !). 8. Conclusion : vers une vision systeme de la conception devant integrer l'acteur humain Dans cet article, nous proposons une argumentation montrant que la réponse à Ql est négative : on ne peut ramener la conception à une activité entièremeut rationa- lisable sous forme d'acteur logiciel. Cette argumentation nous permet plus précisément de distinguer des activités complexes relevant de l'acteur humain et des activités compliquées, qu'il est possible et très souvent souhaitable d'automatiser par approche logi- cielle. Il en résulte donc que l'acteur humain et les systèmes formels constituent ensemble le système de conception à l'oeuvre pour imaginer et concevoir les dispositifs du génie électrique. Il y a donc nécessité, à ce niveau aussi, d'avoir la bonne vision système, pour mettre en place les filières de conception afin de relever les enjeux du futur. Il faudra donc continuer encore et toujours à développer les ressources de type 1 (les méthodes, algorithmes...) implantables dans des logiciels. Mais cela devra se faire sans se tromper d'objectif : ces logiciels doivent soulager les concepteurs en prenant en charge de plus en plus d'ac- tivité de type compliqué, pour permettre à ces mêmes concepteurs d'exprimer leur potentiel, leur créativité, et leur capacité d'innovation dans des tâches complexes. References [11 W. VISSER, "Dynamic Aspects of Design Cognition : Elements for a Cognitive Model of Design ;' INRIA, rapport ? 5144. 12] F DARSE,"Processuspsychologiquesde résolution collective des problèmes de conception : contribution de la psychologie ergonom/que " Habitation à Diriger des Recherches, 16 décembre 2004, UniversitéParisV - René Descartes. REE W 6/7 Jiiin/jiiillet 2006 Repères L'ELECTROTECHNIQUE DU FUTUR [31 E. MORIN,JL LEMOIGNE, " L'Intelligence de la Complexité' ; Éditions L'Harmattan, ISBN 2-7384-8085-3, 1999. [41 D. CAVALUCCI, " TRIZ' l'approche Alschullerienne de la créativité ;'Techniques de l'ingénieur, pages A 52 Il - 1 à 18, [51 M. 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REE N 6/7 Juin/juillet 2006