Vers un Jumeau Numérique du bâtiment enrichi et interactif

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“Le BIM, appelé aussi Maquette Numérique du Bâtiment, n’intègre pas seulement des informations de pure géométrie et de placement d’éléments de géométrie mais aussi des informations descriptives portant de la sémantique.”

L’architecture des bâtiments, du papier au numérique

Le jumeau numérique que l’on voudrait vivant, dynamique, extensible et interactif est une notion relativement récente dans le domaine de l’architecture des bâtiments.

L’histoire ou la préhistoire en architecture commence avec des croquis ou des dessins à main levée. Plus tard, au Moyen-Âge dira-t-on, la planche à dessin et les fameux Rotrings (que les plus âgés des lecteurs connaissent) furent longtemps utilisés. Puis, rupture majeure des temps modernes, l’ordinateur est arrivé. Dessiner/modifier un plan devint plus facile, plus rapide, plus précis. De la 2D (comme le noir et blanc de nos téléviseurs), on est rapidement passé à la 3D (à la couleur). À ses débuts, la 3D n’était qu’un simple reflet graphique de bâtiment.

Un humain voyant ce type de plan peut facilement raisonner car son cerveau en reconnaît les différents éléments. En revanche, pour un ordinateur, une Intelligence Artificielle (IA) potentiellement, un mur ou n’importe quel autre élément du bâtiment n’était qu’une représentation graphique comme peut l’être une photo prise avec un appareil photo numérique qui n’est le plus souvent encore à ce jour qu’un nuage de points (cet article ne traitera pas de la reconnaissance d’objet par une IA).

Pour garder le fil de cette histoire et faciliter votre compréhension, imaginez que cette photo contienne non seulement des points mais aussi des éléments textuels cachés qui décrivent son contenu. Dans ces éléments on décrit par exemple que dans telle zone de l’image, on a un vélo avec telles propriétés (potentiellement marque, modèle…), dans telle autre zone un élément de mobilier urbain, un lampadaire avec telles propriétés et entre ces deux éléments une relation comme par exemple “le vélo – est attaché – au lampadaire” ou “le vélo – est sous – le lampadaire”. Ce sont là ce que l’on appelle des informations sémantiques qui permettent la recherche avec des mots clés et le raisonnement sur les connaissances (informations) existantes pour éventuellement créer de nouvelles connaissances.

Pour en revenir au sujet de cet article, il est temps d’introduire la notion de BIM [2] : “Building Information Model”. Le BIM, appelé aussi Maquette Numérique du Bâtiment, n’intègre pas seulement des informations de pure géométrie et de placement d’éléments de géométrie mais aussi des informations descriptives portant de la sémantique. Ces informations indiquent qu’il y a un site sur lequel est implanté un bâtiment, qui contient des étages, qui contiennent des pièces, des couloirs, des escaliers, etc., qui contiennent des éléments d’ameublement, etc., potentiellement jusqu’aux fils qui relient une prise à un interrupteur ou pour les besoins de tout autre corps de métier. Outre la contenance, il existe bien entendu d’autres relations comme l’adjacence (tel couloir est à côté de telles pièces) par exemple. Comme précédemment, ces divers éléments du bâtiment ont des propriétés comme un identifiant unique et un nom par exemple pour la pièce et sont associés par des relations. Grace à cela le BIM permet d’aller beaucoup plus loin qu’un simple plan puisqu’on y trouve des informations sur les méthodes de construction, les délais, les coûts, les simulations de vie de l’ouvrage et les opérations de maintenance. On parle alors pour le BIM de nD (4D, 5D, 6D ou 7Dimensions) en fonction du nombre de types d’information qu’il contient.

Aujourd’hui, parallèlement à l’arrivée des objets communicants qui sont installés dans les bâtiments, arrive l’étape qui visera à utiliser le BIM tout au long de la vie du bâtiment, notamment pour interagir avec lui. Le terme BIM d’exploitation fait son apparition.

L’exploitation du bâtiment grâce au jumeau numérique

Pour répondre aux besoins d’exploitation des bâtiments, ceux habituels (gestion de l’énergie par exemple) ou les nouveaux (maintenance pro-active par exemple), le BIM devrait refléter la réalité physique du bâtiment dans le temps mais aussi permettre la supervision et les interactions avec le bâtiment au travers de son Jumeau Numérique [3]. Le Jumeau Numérique est une représentation numérique et fidèle de la réalité physique d’un système, ici un bâtiment.

Comment fabriquer ce jumeau numérique ?

Une ontologie [4] définit des entités (une pièce par exemple), ses propriétés (son nom par exemple) et ses relations (avec l’entité étage par exemple). Une ontologie est en quelque sorte un vocabulaire commun, un ensemble de définitions d’entités et de relations entre ces entités qui s’appliquent à un domaine.

Une ontologie couvre généralement un domaine particulier (par exemple le bâtiment, la biologie, la médecine, etc.), ce qui m’empêche pas que plusieurs ontologies puissent couvrir un même domaine ou des domaines connexes, de façon différente selon l’usage envisagé par ses concepteurs. Il existe donc plusieurs ontologies couvrant le domaine du bâtiment. Celles-ci peuvent être combinées ou même alignées [5]. L’alignement consiste à indiquer que tel concept défini dans une ontologie x est sémantiquement identique à tel concept défini dans l’ontologie y, même si ces concepts ne portent pas le même nom. Cela offre la possibilité que chaque utilisateur puisse visualiser les choses d’une façon qui convient le mieux à son métier dans le bâtiment.

On comprend aisément qu’il n’existera pas d’ontologie unifiée et exhaustive couvrant l’ensemble des éléments permettant de décrire l’univers dans son entier. Il en va de même à une échelle beaucoup plus modeste : celle du bâtiment. Plusieurs ontologies sont nécessaires pour décrire de la manière la plus exhaustive possible le domaine du bâtiment, ses nombreux aspects, sous-domaines et domaines connexes.

C’est l’intérêt de la plate-forme de recherche Thing in the Future (Thing in) [6] développée par la Recherche d’Orange. Thing in permet de représenter sous la forme d’un graphe (des nœuds et des relations) des systèmes complexes et sous-systèmes comme des bâtiments, mais aussi des villes, des usines et toute chose. Thing in permet d’associer au graphe des informations sémantiques basées sur des ontologies, que l’on peut ajouter, combiner et mettre en relation pour étendre les capacités de représentation de Thing in.

À la différence des plateformes spécialisées sur le BIM et qui ne savent gérer que le modèle d’information du BIM commun et normalisé, Thing in est donc capable de gérer différents modèles d’information (ontologies) que l’on pourra associer par la création de nouvelles relations aux entités du BIM.

Le modèle IFC (“Industry Foundation Classes”) [7] est le modèle sémantique normalisé utilisé pour le BIM. Il est un des modèles présents dans Thing in dans sa forme ontologie et il pourra être associé avec d’autres couvrant également le domaine d’une façon différente et complémentaire. Pour les entités d’un bâtiment qui ne sont pas couvertes (par exemple le système sécurité intrusion du bâtiment), on utilisera d’autres ontologies spécifiques de domaine. En effet, beaucoup de corps de métier intervenant dans le bâtiment ont leurs propres outils et leurs propres données. Il conviendra de représenter ces données dans Thing in avec une ontologie appropriée.

Grace aux ontologies, à la sémantique et Thing in, il devient possible de relever le défi du Jumeau Numérique du bâtiment dans toutes ses dimensions avec cette possibilité de l’étendre par de nouvelles relations et de nouvelles connaissances.

Maintenant que le bâtiment a son jumeau, l’étape suivante, le défi principal, est de rendre ce Jumeau Numérique interactif pour concrétiser la notion de BIM d’exploitation.

Vers un Jumeau Numérique interactif

La représentation du jumeau numérique interactif permet aux occupants du bâtiment comme à ses gestionnaires de visualiser son état, d’interagir avec lui grâce notamment à l’introduction de plus en plus d’objets communicants ainsi que de nouvelles possibilités de services au travers de multiples modalités (écrans, casques de réalité virtuelle, lunettes, etc.).

Le premier niveau d’interaction, facile à réaliser, est tout simplement celui qui consiste à créer ou modifier des objets, des propriétés ou des relations de façon manuelle.

Pour les objets présents dans le monde réel et bien sûr dans le Jumeau Numérique, cela n’est pas aussi simple qu’il y parait. Autant il est facile d’imaginer ce Jumeau Numérique interactif avec des menus contextuels et de jolis éléments graphiques d’interactions (widget, gadget, etc.), autant il parait difficile d’éviter que chaque Jumeau Numérique de bâtiment ne devienne à lui seul une application spécifique, impliquant que toute modification/amélioration d’interaction nécessiterait de nouveaux développements. Pourtant, cela n’est évidemment pas souhaitable.

Un second niveau d’interaction pourrait être l’ajout de menus contextuels aux objets déjà représentés dans le BIM d’exploitation ainsi que l’affichage d’évènements générés par les objets connectés et les applications qui interagissent avec eux. Les capacités de modélisation de Thing in décrites précédemment vont permettre d’associer aux objets une information particulière, appelée Modalité d’Accès [8], qui va décrire le moyen technique d’interaction, soit directement avec l’objet, soit au travers de son application ou plateforme de gestion. Ces modalités pourraient servir à générer de façon automatique ce type d’interaction.

Cependant, cela n’est pas encore suffisant. Par exemple, lorsque, cette fois, on double-clique dans la représentation graphique du Jumeau Numérique sur une lampe, celle-ci s’allume ou s’éteint réellement, mais il faut également que ce changement d’état soit reflété graphiquement sur le Jumeau Numérique et au-delà soit diffusé à l’ensemble des objets de la pièce. Par exemple, pour être le plus possible fidèle à la réalité physique, on pourrait prendre en compte la puissance d’éclairage en Lux et la température de couleur de cette même lampe. L’interaction ici pourrait modifier la luminosité et la couleur des objets éclairés par cette lampe. Ainsi avec un niveau de zoom éloigné cela permet une visualisation claire/visible de l’état d’éclairage de la pièce.

Parfois, l’interaction peut être le reflet d’un mouvement (un ouvrant qui passe de l’état ouvert à l’état fermé). D’autres fois, il faut des interactions pour matérialiser une réalité invisible à l’œil dans le monde réel (visualiser graphiquement la température d’une pièce ou d’objets grâce à des couleurs). Ou bien encore, on souhaite parfois mettre en avant une réalité du monde physique sous une forme augmentée. Par exemple, la détection de présence d’un capteur infrarouge sera matérialisée non seulement par un point rouge du capteur physique (comme souvent dans la réalité) mais également augmentée d’un halo de cercles concentriques animés en avant du capteur et correspondant à ses caractéristiques d’angle et de portée. Là encore, il s’agit de rendre plus visible la détection de cet exemple sur une vue plus ou moins large du bâtiment.

Une fois de plus, il s’agirait d’éviter tout développement informatique spécifique de l’interaction. Ce que l’on voit, c’est qu’on a besoin non seulement des modalités d’accès à ces objets, mais également d’une ontologie capable de décrire les interactions d’un utilisateur avec une interface graphique (au sens large, toute interface homme-machine) et les services que ces interactions rendent. Une ontologie qui définirait les Modalités d’Interactions.

Potentiellement pour un même changement d’état, on pourrait avoir le choix entre plusieurs modalités d’interactions (de comportement) graphiques. Par exemple, l’une reflétant la réalité physique et l’autre reflétant la réalité physique mais cette fois augmentée.

Un autre aspect : le placement…

Pour maintenir à jour le Jumeau Numérique du bâtiment par rapport à la réalité physique, la question de la localisation et du placement des objets devient cruciale. Imaginons que la description des éléments constituant le système de sécurité intrusion provienne d’un gisement de données externes au BIM original du bâtiment puis “injecté” dans Thing in pour être associé et compléter le jumeau numérique déjà présent. On sait par exemple que l’on a un détecteur de présence dans chaque pièce (le détecteur D1 dans la pièce p1, etc.) mais on n’a pas sa position précise dans le Jumeau Numérique. Il serait donc utile de pouvoir décrire des règles de placement automatique (par exemple positionnement relativement à la porte et au sol de la pièce concernée), ce qui, potentiellement, permettrait rétroactivement d’enrichir le Jumeau Numérique tout en répondant à un cas d’usage. Les exceptions, si elles existent et sont trop nombreuses, ne pouvant être intégrées dans les règles, seraient alors réalisés manuellement. Cependant, on voit dans cet exemple que l’utilisation de règles de placement pourra faire beaucoup gagner en efficacité.

Un mot de technique…

Il existe de nombreux verrous techniques s’agissant de la représentation graphique pure. Malgré une multitude des standards graphiques performants pour l’affichage en 3D, la conversion du format BIM vers ceux-ci n’est pas directe. Parfois cela nécessite des étapes multiples et implique une perte potentiellement énorme d’information, principalement des données sémantiques.

Les standards reconnus et normalisés ISO pour l’échange de BIM restent IFC2x3 [9] et IFC4 [10].

Des “clients lourds” (des programmes plutôt qu’un navigateur web) existent pour traiter directement ces deux formats. Par contre, il n’existe pas d’équivalent en client léger (pour un navigateur web), malgré l’existence d’un vaste choix de bibliothèques graphiques.

Les ontologies existantes pour les différentes versions d’IFC apportent des avantages puisque, d’une part, elles évitent lors de la phase d’injection dans Thing in de BIMs, conçus avec des outils de CAO, la perte d’informations (et principalement cette perte d’informations sémantiques) et, d’autre part, elles permettent les requêtes et l’extension des capacités de description.

Cependant, la contrepartie du stockage sous cette forme et potentiellement l’augmentation de la volumétrie du stockage peuvent impacter les performances dans certains cas de figure. Par exemple les ontologies IFC2x3 ou IFC4 englobent des données graphiques puisqu’elles sont le reflet ontologique des formats d’IFC2x3 et IFC4 et, même si ce n’est pas au type de donnée graphique auquel on pense quand on aborde la sémantique, dans certains cas, ces données auraient un intérêt pour raisonner sur le positionnement des objets. Ce formalisme ne parait donc pas le plus efficace pour ce cas d’usage.

Pour répondre au besoin ci-dessus mais également pour répondre à l’éventualité d’importation d’avatars graphiques issus de sources externes (bibliothèque de modèle 3D), un compromis au sein de Thing in serait un mixte entre données purement sémantiques et un format graphique performant pour chaque élément du Jumeau Numérique ayant une représentation graphique (par exemple les murs). L’avantage serait donc de disposer rapidement et sans conversion de données graphiques compactes dans un format standard reconnu.

Enfin, l’utilisation de bibliothèques d’objets 3D externes pour la représentation d’avatars serait une possibilité mais là aussi de nombreuses questions techniques apparaissent notamment pour garantir un niveau de performance élevé des interfaces de visualisation et de navigation.

Conclusion

Ce que décrit cet article en prenant l’exemple du bâtiment est un champ d’application parmi bien d’autres de la plateforme de recherche Thing in, permettant de décrire au travers de son graphe et ses représentations sémantiques (ontologies) les objets du monde physique, leurs relations ce qui au-delà permet d’effectuer du raisonnement.

Dans le domaine du Smart Building[11], Orange avec Thing in peut jouer un rôle de pivot pour la traduction vers les différents formats ciblés (e.g. applications web classiques, interface à réalité virtuelle ou réalité augmentée, etc.) en standardisant l’intégration de ces interactions, en simplifiant et réduisant leur coût de développement, au bénéfice d’une interaction plus riche avec les Jumeaux Numériques et répondant aux attentes des usages futurs.

Pour cela, les verrous scientifiques sur lesquels la recherche d’Orange travaille sont une proposition de description sémantique et standardisée des modalités d’interactions entre un utilisateur et une interface homme-machine d’un Jumeau Numérique, complétée d’un système de description de règles de placement automatique des objets dans le Jumeau Numérique.

Les verrous techniques se situeront au niveau des outils et bibliothèques pour un affichage graphique performant sur des clients légers utilisables sur tout type de terminal (navigateur web) et sur la performance de l’extraction et du traitement des données du Jumeau Numérique.

Les Jumeaux Numériques vont devenir un élément central dans la gestion des bâtiments et des systèmes complexes en général. Les résultats de ces travaux de recherche ont vocation à venir enrichir sur cet aspect les solutions Smart Building proposées par Orange Business Services.