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Le futur des bâtiments intelligents avec Thing’in

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La gestion de systèmes complexes comme les bâtiments nécessite de dépasser les approches centrées sur les objets connectés et basées sur les plateformes Internet des Objets actuelles, intégrées verticalement. Sur cet exemple, nous montrons comment la plateforme de recherche Thing’in (“Thing in the future”) permet de maintenir une description globale de tels environnements, partageable entre les différentes applications qui y opèrent.

La banalisation des objets connectés capables de capter des informations (température, humidité, etc.), et d’agir sur des dispositifs (ouvrir une vanne, allumer des lampes, fermer des volets) permet désormais d’intégrer des applications auparavant fermées opérant à l’intérieur de systèmes complexes comme des bâtiments, qui peuvent devenir ainsi, au sens propre, des bâtiments intelligents (Smart Buildings). Les mêmes idées s’appliquent à d’autres systèmes ou environnements à plus grande échelle comme les réseaux d’énergie ou les villes. Mais le bâtiment rassemble à son échelle tous les défis à relever pour le futur de l’Internet des Objets, et, plus largement des systèmes cyber-physiques qui représentent l’intégration de l’Internet des Objets dans les systèmes automatiques industriels. Parmi ces défis, deux sont particulièrement cruciaux : la gestion technique et la gestion opérationnelle.

Une gestion technique efficace et complète d’un bâtiment prend en compte tous ses objets, équipements et systèmes techniques spécialisés existants, même s’ils ne sont pas à l’état de l’art du point de vue numérique. Un bâtiment est instrumenté par des objets connectés mais il est également nécessaire de gérer les objets non connectés, bien plus nombreux et qui constituent ce bâtiment : les pièces, les systèmes techniques, le mobilier, etc. Pour y parvenir, il faut maintenir une représentation complète du bâtiment qui revient à faire converger le monde numérique et le monde physique pour permettre une interaction plus forte et plus large entre les deux.

La gestion opérationnelle d’un bâtiment demande la collaboration de plusieurs métiers, par exemple ceux de la gestion de l’énergie, de la logistique/maintenance ou des services de confort pour les utilisateurs du bâtiment. Aujourd’hui l’efficacité de cette gestion opérationnelle est freinée car chaque équipe technique utilise sa propre application GTB (Gestion Technique du Bâtiment) de manière indépendante. Chaque équipe travaille dans son “silo”, maitrise parfaitement ce qui s’y passe, mais n’a qu’une faible connaissance et peu ou pas d’interaction avec les autres domaines d’intervention. Il faut ouvrir ces silos pour améliorer la collaboration entre les équipes et l’efficacité opérationnelle.

Rapprocher le monde physique et le monde numérique

Imaginée par la Recherche d’Orange, “Thing in the future” est la plateforme de recherche intégrative pour le Web des Objets, le futur de l’Internet des Objets à la convergence du monde physique et du monde numérique. “Thing in” permet de répondre à ces deux défis, la gestion opérationnelle et technique du bâtiment, en proposant une approche originale par rapport aux plateformes Internet des Objets actuelles comme Microsoft Azure, AWS IoT d’Amazon ou encore Live Objects d’Orange. En effet, ces plateformes se limitent à collecter, stocker et gérer les données produites par les objets connectés, soit le petit sous-ensemble des équipements du bâtiment qui font déjà partie du monde numérique.

“Thing in” permet, sur la base d’une description complète de l’environnement physique du bâtiment, l’intégration complète des deux mondes, physique et numérique. En effet “Thing in” décrit les objets physiques, qu’ils soient connectés ou non, avec toutes leurs caractéristiques, et, le cas échéant, leurs états. Surtout, “Thing in” décrit sous la forme d’un graphe les relations que ces objets ont avec leur environnement, c’est-à-dire avec les autres objets. “Thing in” permet ainsi de constituer un réseau social des objets, à l’image de ce que sont les réseaux sociaux pour les humains. Par exemple, pour une pièce du bâtiment, nous pouvons avec “Thing in” décrire la pièce elle-même, les objets qui sont à l’intérieur, et les relations entre les objets qu’elle contient. Les relations entre les objets peuvent être de plusieurs natures, par exemple que la chaise est à l’intérieur de la pièce, que le capteur de présence peut faire déclencher une action sur la lampe connectée en fonction de la présence détectée dans la pièce.

Nous avons donc avec “Thing in” la description complète de l’environnement physique du bâtiment, tandis que son pendant  numérique est géré avec les plateformes Internet des Objets actuelles comme Microsoft Azure, Amazon AWS IoT, FIWARE, OM2M ou Live Objects d’Orange. Pour parvenir à une convergence des deux mondes, il faut faciliter des liens entre les deux. Une description d’objet dans “Thing in” peut contenir une information pour cela, appelée modalité d’accès. Elle contient la chaine technique permettant d’interagir avec l’objet réel au travers de sa plateforme opérationnelle, comme une URL pour atteindre un site web.

Ouvrir les silos de l’Internet des Objets

Maintenant que les descriptions du bâtiment et de ses objets sont dans le réseau social des objets de “Thing in”, il est plus simple d’ouvrir les silos existants et de partager les informations entre les différentes équipes techniques, tout en respectant les contraintes de sécurité et de confidentialité par une gestion fine des droits d’accès aux informations. Par ailleurs, certains objets du bâtiment vont intéresser plusieurs métiers et chaque métier souhaite le voir avec les informations qui le concernent. Si nous prenons l’exemple d’une lampe, cet objet intéresse nos trois équipes techniques : gestion de l’énergie, logistique/maintenance, services de confort. “Thing in” permet de décrire la lampe selon les différentes vues propres à chacun de ces métiers : informations d’énergie, puissance pour les énergéticiens ; état et localisation pour la logistique/maintenance, et enfin fonctionnalités service (allumer, éteindre, gestion de la couleur) pour les services de confort. Enfin ce partage d’informations peut aller un cran plus loin en partageant les objets eux-mêmes. Par exemple, le détecteur de présence est utile pour la gestion de l’énergie pour éteindre et allumer en fonction de la présence des dispositifs consommateur d’énergie. Il est également utile aux équipes de logistique/maintenance pour déterminer les zones du bâtiment les plus utilisées et nécessitant des vérifications plus fréquentes à des fins de maintenance proactive.

La vue fédérée du bâtiment construite grâce à “Thing in” peut être partagée par les équipes techniques au travers d’interfaces métier se basant sur la Maquette Numérique du Bâtiment (ou BIM pour Building Information Model). Elle constitue la base d’un jumeau numérique, représentation numérique d’un objet physique mise à jour en permanence par rapport à l’évolution de cet objet, alimentée pour cela par les informations venant des différentes plateformes : “Thing in” pour la description des objets physiques et de leurs relations d’une part, et d’autre part les plateformes techniques sous-jacentes à partir desquelles sont collectées les données des systèmes techniques connectés qui instrumentent le bâtiment.

Une innovation ouverte et collaborative

Ces différents concepts ont été démontrés dans une collaboration entre la Recherche d’Orange et plusieurs partenaires de l’écosystème “Thing in” : le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), le Laboratoire d’Analyse d’Architectures des Systèmes du CNRS (LAAS-CNRS), l’Institut de Recherche en Informatique (IRIT) et la startup WiseBIM.

Cette collaboration a permis de travailler ensemble sur plusieurs enjeux de recherche relatifs à la gestion d’un bâtiment intelligent et de son environnement.

La numérisation de l’existant

Le BIM fournit une représentation numérique, parfaitement structurée et sémantisée d’un bâtiment ou plus généralement d’un quartier ou d’une ville – voir plus loin les principes du BIM multi-échelles.

Pour constituer une maquette BIM d’un bâtiment, on pense d’abord aux phases de conception et construction de ce bâtiment, pour lesquelles les méthodologies sont maintenant au point, au service des architectes, bureaux d’études et entreprises pour constituer ce jumeau numérique, au fur et à mesure des travaux. Mais le parc immobilier ne se résume pas qu’à des bâtiments neufs, il est surtout constitué de bâtiments existants, éventuellement à rénover. La démarche de numérisation BIM des bâtiments existants est donc fondamentale, si on veut profiter de cette nouvelle technologie.

WiseBIM est une startup innovante qui accompagne les gestionnaires de patrimoines immobiliers dans leur transition numérique vers le BIM. La solution de WiseBIM, basée sur de l’Intelligence Artificielle, permet d’automatiser la génération des maquettes BIM 3D à partir des plans architecturaux existants pour une numérisation dix fois plus rapide qu’avec les méthodes classiques.

Les objets connectés et leur environnement sont étroitement liés. Il est nécessaire en particulier de connaître l’emplacement précis de ces objets au sein du bâtiment. D’une part afin d’interpréter les données qui en sont issues (les capteurs en particulier), d’autre part pour contrôler au mieux les prises de décision lors de l’activation et de l’utilisation de ces objets.

La numérisation des bâtiments existants est donc nécessaire avant de rendre “intelligents” ces derniers. La création de maquettes BIM est le moyen à privilégier car il permet de passer de données non structurées (ex. plans architecturaux 2D, nuages de points, images 3D) à des données structurées ce qui permet leur localisation absolue ou relative grâce à la hiérarchisation des espaces et éléments du bâtiment. En effet, le BIM intègre une base de données qui centralise en 1er lieu la description de l’enveloppe du bâtiment et le découpage virtuel en étages et espaces.

Cette génération de maquettes BIM à partir de l’existant peut être automatisée (ex. : solution de WiseBIM) ou faite manuellement à partir de logiciels d’édition de maquettes BIM.

Au-delà de l’application pour les objets connectés, la transformation en BIM du patrimoine existant s’inscrit dans la transition numérique des acteurs de l’immobilier et de la construction, en particulier pour des besoins de gestion de patrimoine ou de rénovation et démantèlement.

L’enrichissement des informations structurées et non structurées : passer d’une numérisation du bâtiment à une numérisation enrichie

Le LAAS-CNRS est un laboratoire de recherche du CNRS. La recherche menée vise à une compréhension fondamentale des systèmes complexes tout en considérant l’usage qui peut en découler. Dans ce contexte, l’équipe SARA travaille sur les réseaux, les systèmes de communication de nouvelle génération, l’internet des objets et leurs applications.

L’IRIT, unité Mixte de Recherche (UMR), focalise ses travaux de recherche sur la Sciences des données et du calcul. L’équipe MELODI se préoccupe de recherches articulant l’analyse et la formalisation de la langue naturelle d’une part, la représentation et la modélisation des connaissances d’autre part.

Les systèmes d’inventaire ou de collecte et de stockage des informations relatives à un bâtiment sont généralement constitués de données brutes limitées à des termes et des valeurs plus ou moins explicites désignant des caractéristiques fixes ou dynamiques. Le challenge est de passer de ces données stockées, pour la plupart dans différents systèmes souvent en silos, à une vision entrelacée et riche de l’ensemble des données et objets d’un système complexe. La solution proposée dans le cadre de la collaboration consiste à faciliter l’explicitation du sens associé à ces données ainsi que leur mise en correspondance via leur sémantisation. Cela passe par l’utilisation de modèles qui permettront ensuite de réaliser des interrogations complexes, ainsi que des inférences à partir de mécanismes de raisonnement sur les données.  La numérisation sémantisée offre par là même des usages plus riches sur les informations du bâtiment. Les ontologies, modèles au cœur de la sémantisation,  fournissent une spécification formelle et explicite d’une conceptualisation. Pour cela, elles représentent des concepts, des relations, des axiomes logiques et des individus. La transformation d’une donnée brute en une donnée sémantisée passe par un mécanisme d’enrichissement de la donnée via l’ajout de descriptions à partir des éléments de l’ontologie. Ce processus est facilité par la solution que nous proposons car il peut être réalisé soit  automatiquement soit en interaction avec le gestionnaire d’un système.

La gestion multi-échelle, de la gestion du bâtiment à la gestion d’un territoire

Le CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment) est un Établissement Public à caractère industriel et commercial, le CSTB a pour mission d’accompagner les acteurs dans leurs innovations et projets. Plus particulièrement dans le numérique, le CSTB a pour mission d’accompagner la filière vers le BIM, ses usages et ses outils en privilégiant l’utilisation des standards de l’openBIM (IFC, CityGML). Le CSTB met au point des solutions logicielles pour visualiser, gérer, partager et interfacer les maquettes BIM multi-échelles – eveBIM – avec des outils d’exploitation, à l’échelle du bâtiment et de la ville.

Le BIM multi-échelle permet d’étendre les concepts de la maquette numérique à l’ensemble des échelles et dimensions de l’environnement bâti, avec les territoires, les villes, les quartiers, les bâtiments et les infrastructures. Pour ces différentes échelles, les organisations internationales comme l’OGC (échelle territoire et ville, avec le CityGML) et BuildingSmart (échelle des bâtiments et des infrastructures, avec les IFC), fournissent les standards ouverts de description des maquettes numériques. Ces standards sont maintenant pris en compte par les principaux éditeurs de logiciels de SIG (Système d’Information Géographique) et CAO pour bâtiments. Le BIM multi-échelles permet d’assurer l’imbrication de ces différentes dimensions et donc d’étendre les capacités de gestion aux environnements autour des bâtiments. A chaque dimension, ses acteurs, avec les politiques, les citoyens et riverains, les aménageurs, les constructeurs et les fournisseurs de produits et équipements pour les bâtiments ou les villes.

Conclusion, les messages à retenir

Grâce à “Thing in”, la plateforme du Web des objets, nous pouvons apporter une réponse à deux défis à venir de l’Internet des Objets : décrire les environnements complets dans lesquels opèrent les applications et améliorer la collaboration et le partage d’information entre les acteurs de l’Internet des Objets en ouvrant les silos qui existent aujourd’hui. “Thing in” permet également de fédérer les plateformes de l’Internet des Objets actuelles (AWS, Microsoft Azure, Live Objects d’Orange) avec des fonctionnalités complémentaires à ce type de plateforme. En effet, “Thing in” va un cran plus loin en décrivant le contexte des objets connectés et non connectés, ainsi que les interactions entre ces objets (relations). Nous avons utilisé le cas du bâtiment intelligent (Smart Building) mais l’approche décrite est multi-échelle et s’applique à des dimensions plus petites (par exemple une maison) ou plus grandes (par exemple une ville).

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Cet article vient du Blog de la Recherche

Auteurs :

  • Cyrille Bareau
  • Nathalie Hernandez
  • Eric Lebègue

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