Modéliser la mer permet des avancées dans le domaine maritime

Un jumeau numé­rique est la numé­ri­sa­tion d’un envi­ron­ne­ment don­né : cette défi­ni­tion très géné­rale englobe un grand nombre de cas très variés. Les jumeaux numé­riques inter­ac­tifs, per­mettent à un humain d’interagir avec l’environnement vir­tuel, grâce à des cap­teurs de sui­vi, des organes des com­mandes (joys­tick, manettes, etc.) ou des inter­faces à retour d’effort (inter­faces hap­tiques). Ces outils sont inter­dis­ci­pli­naires à plu­sieurs titres : par leurs domaines d’application (méde­cine, indus­trie mari­time, etc.) et par les sciences qu’ils mobi­lisent  (méca­niques, ther­miques, bio­lo­giques, etc.). 

Les jumeaux numé­riques inter­ac­tifs, per­mettent à un humain d’interagir avec l’environnement virtuel.

Anders Tho­rin, ingé­nieur-cher­cheur au Labo­ra­toire de Simu­la­tion Inter­ac­tive du CEA List, tra­vaille au sein de l’équipe qui déve­loppe le logi­ciel XDE Phy­sics depuis une ving­taine d’années. Ce logi­ciel, qui per­met la créa­tion de jumeaux numé­riques dans le domaine de la robo­tique, a inté­res­sé l’entreprise Tech­nip Ener­gies pour des pro­jets dans l’industrie mari­time. Les cher­cheurs ont alors déve­lop­pé de nou­velles fonc­tion­na­li­tés pour répondre aux besoins de l’industriel. Aujourd’hui « repa­cka­gé » dans un logi­ciel bap­ti­sé « CETO » dédié à la simu­la­tion inter­ac­tive mari­time, il per­met une immer­sion en réa­li­té vir­tuelle (VR) au sein d’une grue embar­quée sur une struc­ture flot­tante, qui peut ser­vir à la pré­vi­sion et l’évaluation des risques pour des opé­ra­tions com­plexes de levage, ou encore à la for­ma­tion du personnel.

CETO per­met de repro­duire les carac­té­ris­tiques phy­siques de la mer, son envi­ron­ne­ment et de nom­breux objets du monde mari­time — porte-conte­neurs, grues por­tuaires, câbles, tuyaux — dans une simu­la­tion interactive. 

La pre­mière étape était la phy­si­ca­li­sa­tion de l’environnement à étu­dier — étape par laquelle les cher­cheurs vont modé­li­ser les élé­ments consti­tu­tifs de la scène, à com­men­cer par la mer. « Pour modé­li­ser la mer, nous uti­li­sons typi­que­ment 600 com­po­santes spec­trales, indique le cher­cheur. Chaque com­po­sante spec­trale cor­res­pond à une vague sinu­soï­dale, qui a plu­sieurs para­mètres : ampli­tude (de la crête au creux de la vague), direc­tion, phase, fré­quence. D’autres condi­tions envi­ron­ne­men­tales sont à prendre en compte durant la simu­la­tion inter­ac­tive : le vent et le cou­rant, par exemple. »

Après un pre­mier pro­to­type de simu­la­tion, les cher­cheurs ont pu amé­lio­rer la pré­ci­sion et donc le réa­lisme de la simu­la­tion, en aug­men­tant le niveau de détail des modèles : prise en compte des hélices, câbles, grues, etc., dans l’optique de savoir, ou plu­tôt de véri­fier, com­ment celui-ci réagi­ra au mou­ve­ment de la mer, à celui du vent, de la houle et ain­si de suite. « La phy­si­ca­li­sa­tion n’est pas tou­jours néces­saire selon le besoin, pré­cise-t-il, mais quand elle l’est, le carac­tère inter­ac­tif impose de résoudre les équa­tions phy­siques en temps réel, ce qui passe sou­vent par une phase de sim­pli­fi­ca­tion des modèles phy­siques. »

Par exemple, un solide rigide élan­cé est modé­li­sé par une « poutre » d’une cer­taine dimen­sion, ce qui est une sim­pli­fi­ca­tion pour per­mettre la simu­la­tion en temps réel dans XDE Phy­sics. Avec cette étape, une ques­tion pour­rait se poser : un jumeau numé­rique peut-il être si pré­cis qu’il repro­duit la réa­li­té, mal­gré sa sim­pli­fi­ca­tion ? Le cher­cheur, lui, ne se la pose plus : « En science, tout est modèle. Même un concept aus­si simple qu’un angle droit n’existe pas à pro­pre­ment par­ler dans la nature. L’enjeu, pour un jumeau numé­rique en simu­la­tion inter­ac­tive, est d’adopter un modèle suf­fi­sam­ment pré­cis pour lui confé­rer une uti­li­té pra­tique dans un contexte don­né. En outre, il faut que les équa­tions du modèle choi­sies puissent être réso­lues suf­fi­sam­ment rapi­de­ment avec le maté­riel pré­vu. Il n’y a pas besoin d’une pré­ci­sion par­faite pour obte­nir des résul­tats utiles, et tant mieux, car elle est inat­tei­gnable. » 

L’exemple de la mise à l’eau d’un tuyau défor­mable est par­lant à cet égard. Une fois le tuyau modé­li­sé en tant que poutre, l’équipe du labo­ra­toire pour­ra éva­luer sa résis­tance pen­dant les opé­ra­tions de levage et de mis à l’eau, en fonc­tion des condi­tions météo­ro­lo­giques et des actions du gru­tier dans le monde vir­tuel. Cette mul­ti­tude d’éléments conju­gués numé­ri­que­ment per­met une simu­la­tion inter­ac­tive de n’importe quel scé­na­rio sou­hai­té. Ain­si, l’utilisateur pour­ra éva­luer si le tuyau résis­te­ra à sa mani­pu­la­tion sans devoir, pour autant, atteindre une pré­ci­sion par­faite de la simu­la­tion. Tout cela de manière bien plus sécu­ri­taire et éco­no­mique que les essais en situa­tion réelle. 

Un jumeau numé­rique peut donc per­mettre de vali­der des scé­na­rios avant d’enclencher leur appli­ca­tion dans le monde phy­sique. Les uti­li­tés sont donc innom­brables, et les avan­tages consé­quents. « Il y a un véri­table béné­fice à ce type de simu­la­tion, assure Anders Tho­rin. En matière de coût d’abord, car elle néces­site moins de temps pour la réa­li­sa­tion d’un pro­jet, limite le besoin de dépla­cer le maté­riel, évite le recours aux maquettes, etc. Et en matière de repro­duc­ti­bi­li­té, car chaque scé­na­rio peut être vali­dé sur la même simu­la­tion, les para­mètres étant modi­fiables selon les besoins. » 

Les uti­li­tés du jumeau numé­rique sont innom­brables, et les avan­tages conséquents.

En effet, si l’on veut esti­mer la dif­fé­rence de mou­ve­ment qu’un navire peut avoir en eau calme, par rap­port à en eau agi­tée, seuls les para­mètres influents sur cette dyna­mique de l’eau et du vent sont à chan­ger, à savoir : la direc­tion du vent, sa vitesse comme sa constance, etc. « C’est une forme de pré­vi­sion d’un évè­ne­ment dans cer­taines condi­tions pré­éta­blies — vent, houle, cou­rant, et beau­coup d’autres », ajoute le chercheur.

Cepen­dant, l’utilité de ce type de jumeau numé­rique ne s’arrête pas à la « pré­vi­sion » de scé­na­rio. Avoir un véri­table monde vir­tuel, acces­sible à l’aide d’un casque VR, le tout, en étant le plus fidèle pos­sible aux réa­li­tés phy­siques des élé­ments qui nous entourent, per­met­trait une uti­li­sa­tion effi­cace pour la for­ma­tion. « Tech­nip Ener­gies a ajus­té une chaise de façon à repro­duire (cette fois-ci dans le monde réel) la cabine d’une grue avec ses manettes de com­mandes, explique-t-il. Ce qui a per­mis à un gru­tier de venir sur place pour y faire une for­ma­tion, en plus d’une mise en pra­tique. »

Cou­plé avec ses deux béné­fices prin­ci­paux (coût et repro­duc­ti­bi­li­té), un tel logi­ciel aurait une plus-value indé­niable à la for­ma­tion des gru­tiers, notam­ment pour faire face à des situa­tions extrêmes, comme des vents forts.

Pablo Andres