Alors que les cris de guerre retentissent autour de l’IA, il existe un autre concept révolutionnaire lié aux nouvelles technologies auquel nous n’avons pas autant réfléchi : les « jumeaux numériques ».
Définition du jumeau numérique
La question des jumeaux numériques est relativement récente et, bien que son origine soit souvent attribuée à la NASA, tout indique que la première référence à l’utilisation de ce terme remonte à 2002, lorsqu’un universitaire de renom, Michael Grieves, l’a inventé :
« Un jumeau numérique est une représentation virtuelle d’une entité ou d’un système physique qui est mise à jour avec des données en temps réel et qui utilise des simulations, l’apprentissage automatique et le raisonnement pour faciliter la prise de décision. »
Michael Grieves a mis le doigt sur la définition, même si son domaine était les systèmes de gestion du cycle de vie des produits (PLM). Son travail a été déterminant pour relier la technologie de simulation virtuelle aux processus de fabrication et industriels, jetant ainsi les bases de l’industrie 4.0.
Mais ce n’est pas le seul champ d’action auquel le concept de jumeau numérique est adapté. A l’instar d’une échelle d’ordre de grandeur, le jumeau numérique s’applique à différents niveaux. Faisons un tour d’horizon des couches auxquelles ce concept s’applique, des outils technologiques nécessaires dans chaque cas et de ses principales utilisations.
Le jumeau numérique d’un objet historique
Commençons par l’échelle la plus basse, l’échelle humaine pourrait-on dire. Nous pouvons créer des jumeaux numériques d’objets allant d’une très petite sculpture à une grande, par exemple. Mon domaine étant les sciences humaines numériques, prenons l’exemple d’un vase grec. Son jumeau numérique serait une réplique exacte de la figure en trois dimensions. Pour ce faire, nous pouvons utiliser deux techniques : la photogrammétrie et la numérisation 3D. La photogrammétrie part d’une série de photographies de l’objet à partir de plusieurs points de vue et, grâce à un logiciel algorithmique, est en mesure de créer un fichier tridimensionnel avec la géométrie et la texture de l’objet. Si l’on parle de balayage laser 3D, on obtient un nuage de points de haute précision qui restitue la figure, mais sans la texture, qui peut être ajoutée ultérieurement.
Et que faisons-nous de cet objet historique en 3D ? Nous pouvons le télécharger sur un dépôt en ligne (Sketchfab est le plus connu, bien qu’Europeana soit en train de prendre le relais) et le partager avec le monde entier. Il peut être utilisé dans des expositions numériques ou servir d’accessoire pour un film d’époque tourné dans un décor virtuel. Mais l’utilisation la plus ambitieuse est de faire passer cet objet virtuel par une intelligence artificielle formée à son sujet pour nous donner la datation de l’objet, sa provenance et, si vous le souhaitez, même la signification des peintures sur sa surface. Il ne s’agit là que de deux exemples, mais il existe de nombreuses autres utilisations.
Jumelage numérique d’un bâtiment historique
Allons plus loin, dans un bâtiment historique. L’échelle a déjà augmenté. Le niveau est un peu plus élevé que celui de l’homme, mais la procédure de numérisation a des points communs avec la précédente. Nous pouvons à nouveau utiliser la photogrammétrie et le balayage 3D (techniquement appelé LiDAR). Cette fois, la photogrammétrie nécessite l’utilisation de drones pour survoler le bâtiment et capturer ses façades et ses toits.
La deuxième alternative complémentaire, qui peut également être utilisée avec les drones, est le LiDAR. Le LiDAR est un dispositif qui permet de déterminer la distance entre un émetteur laser et un objet ou une surface à l’aide d’un faisceau laser pulsé qui détermine la distance par rapport à l’objet et en mesurant le temps de retard entre l’émission de l’impulsion. Il génère ainsi des points qu’il collecte et exprime ensuite l’ensemble des points situés en trois dimensions.
Cependant, il ne suffit pas de le télécharger en tant qu’objet dans des référentiels 3D (ce qui est également possible), mais la technologie HBIM (Historic Building Information Modelling) peut être appliquée. Il s’agit d’une méthodologie numérique qui se concentre sur la documentation, la gestion et la préservation des bâtiments historiques à l’aide d’outils numériques avancés. Elle combine le modèle 3D généré par les systèmes d’information géographique avec la planimétrie, créant ainsi une représentation précise et détaillée du patrimoine architectural. Cette approche permet d’intégrer des données historiques, architecturales et structurelles, par le biais de capteurs par exemple, facilitant ainsi l’analyse et la conservation des structures des bâtiments qui peuvent être en danger ou qui possèdent une valeur culturelle importante. Il suffit de penser à l’incendie de Notre-Dame. S’il n’y avait pas eu d’étude tridimensionnelle, la récupération de la cathédrale aurait été beaucoup plus imparfaite.
Mais cette technologie peut également être utilisée à des fins diverses, toutes plus intéressantes les unes que les autres. D’une part, la simulation des processus structurels et fonctionnels, tels que les systèmes électriques, la ventilation ou l’évacuation, en adaptant les besoins et les réglementations actuelles aux bâtiments historiques. Elle permet également l’enregistrement historique des restaurations et des modifications, ainsi que la visualisation en temps réel du trafic humain ou énergétique à l’intérieur du bâtiment grâce à des capteurs. Il peut également servir d’outil prédictif pour la maintenance préventive.
Un exemple concret est la récente numérisation du monastère de San Lorenzo de El Escorial, un exploit réalisé par ACRE Surveying Solutions et ATC Proyecta , qui ont relevé topographiquement ce trésor de l’humanité avec plus de quatre mille points de collecte de données pour générer un nuage de points qui a ensuite été converti en HBIM et à partir duquel toutes sortes de plans d’étage, d’élévations, de sections… El Escorial in the nude peuvent être extraites.
Mais ce n’est pas la fin des utilisations de ce jumeau. Ce projet, financé par le plan de relance, de transformation et de résilience dans le cadre du programme Spain Audiovisual Hub, mettra les ressources numériques générées gratuitement à la disposition des sociétés de production nationales et internationales, facilitant ainsi leur intégration dans des films, des séries et des jeux vidéo. Je m’arrête là.
Jumelle numérique d’une usine
À ce niveau, il ne s’agit pas tant de reproduire des usines existantes que de modéliser les installations a priori, ce qui permet, grâce à l’intelligence artificielle, de simuler la chaîne de production, d’optimiser les processus et de minimiser les coûts, le tout avant leur construction. Un exemple de cela a été abordé dans After lorsque nous avons parlé de l’entreprise NVIDIA et de l’utilisation de son matériel (cartes informatiques) et de son logiciel Omniverse pour l’usine de véhicules électriques de Debrecen, en Hongrie, qui doit ouvrir ses portes cette année. Grâce au puissant outil qu’est Omniverse, l’équipe de BMW a pu intégrer des données dans des modèles de haute précision et de haute performance, connecter ses différents outils logiciels et permettre une collaboration en temps réel entre de multiples utilisateurs répartis sur plusieurs sites. Le tout avec un objectif clair : affiner et perfectionner chaque étape du processus pour atteindre une optimisation sans précédent dans sa nouvelle usine.
Le jumeau numérique d’une ville
Ici, nous faisons un saut qualitatif. Numériser une ville entière n’est pas une mince affaire. Je vais ici vous présenter un exemple qui me tient à cœur : le jumeau numérique de la ville de Madrid, réalisé par la mairie et consultable sur son Géoportail. Mais comment en est-on arrivé là ? Ils partent de deux sources : des photos satellites et des vols d’avion au-dessus de la ville.
Pour obtenir des modèles 3D d’un bâtiment à partir de photographies aériennes, les projections obliques des photographies jouent un rôle clé en inclinant l’axe de la caméra ou du système de capture par rapport au plan horizontal. Cette approche permet de capturer les détails latéraux des façades des bâtiments en plus des vues de dessus, ce qui enrichit la modélisation tridimensionnelle. En combinant des images prises sous différents angles obliques avec des techniques telles que la photogrammétrie ou le LiDAR, on obtient une reconstruction 3D plus précise et plus complète, en particulier dans le cas de structures complexes où les surfaces verticales et les textures détaillées sont cruciales pour le résultat final. En procédant de la sorte pour l’ensemble de la ville, nous obtenons un modèle 3D complet.
Mais attention, si la numérisation d’un bâtiment représente des tonnes d’informations, que se passe-t-il avec des villes entières ? Dans le cas de Madrid, la forme des bâtiments a été réduite à des géométries simples, ce qui réduit considérablement le volume d’informations au prix d’une perte de résolution. Mais il existe un cas beaucoup plus puissant : le jumeau numérique de Tokyo. Peu de nouvelles ont été publiées, mais il semble que le jumeau numérique de la capitale japonaise va être publié avec une résolution sans précédent. Reste à savoir ce qu’il en est.
Et que pouvons-nous faire de tout cela ? C’est là qu’interviennent les « plateformes de villes intelligentes », qui intègrent plusieurs couches de données allant des informations provenant de capteurs IoT (Internet des objets) répartis dans la ville aux bases de données urbaines et météorologiques. Ces plateformes permettent non seulement une gestion efficace des modèles numériques, mais aussi le développement d’applications spécifiques, telles que des systèmes d’alerte précoce pour les catastrophes naturelles, des outils pour optimiser la mobilité urbaine ou des solutions pour l’efficacité énergétique dans les bâtiments et les quartiers entiers. En outre, les plateformes de villes intelligentes servent de point central pour la collaboration entre les administrations, les entreprises et les citoyens, garantissant que les décisions fondées sur les données sont transparentes, inclusives et durables. D’autre part, le jumeau numérique devient un outil essentiel pour la planification urbaine, en projetant des scénarios de croissance ou de développement qui anticipent les besoins et optimisent les ressources, garantissant ainsi une évolution équilibrée et efficace de la ville. Mais ce n’est que la partie émergée de l’iceberg. Si l’on commence à combiner les données générées avec la volumétrie de la ville, les applications du jumeau sont presque infinies.
Le jumeau numérique d’un écosystème
À plus grande échelle, nous avons l’analyse des écosystèmes comme paradigme pour la surveillance de l’environnement. Le jumeau numérique d’un écosystème peut être généré grâce à des outils avancés qui combinent les technologies de capteurs IoT, la modélisation informatique en 3D, les plateformes d’intelligence artificielle (encore notre chère IA) et les systèmes d’analyse de données géospatiales. Ces outils collectent et traitent de grands volumes d’informations en temps réel, créant ainsi une réplique numérique détaillée et dynamique de l’écosystème. Ce jumeau numérique nous permet de simuler les interactions complexes entre la flore, la faune et leur environnement, en modélisant les processus biologiques et environnementaux qui sont fondamentaux pour comprendre et gérer les écosystèmes naturels.
En intégrant des données en temps réel telles que les variations météorologiques, d’humidité du sol et de température, l’état de l’écosystème peut être surveillé en permanence et avec précision afin de détecter les changements critiques. En outre, le jumeau numérique facilite l’analyse approfondie de l’impact du changement climatique, en anticipant la manière dont les variations du climat peuvent modifier les habitats, les cycles biologiques et la biodiversité. La capacité à intégrer les données relatives à la conservation des espèces et à la biodiversité est essentielle pour concevoir des stratégies de protection visant à garantir la viabilité des écosystèmes et à prévenir l’extinction des espèces menacées.
D’autre part, le jumeau numérique permet de simuler des scénarios futurs, d’évaluer comment les politiques environnementales et les activités humaines telles que la déforestation, la pêche intensive ou l’utilisation des terres influent sur l’équilibre de l’écosystème. Ces simulations permettent non seulement d’anticiper les risques, mais aussi de fournir une base scientifique pour une prise de décision éclairée et durable. Ainsi, le jumeau numérique d’un écosystème devient un outil clé pour équilibrer la conservation des espaces naturels et les besoins humains, en promouvant un avenir dans lequel la nature et la société coexistent harmonieusement.
Comme exemple de cette échelle supérieure et pour clore ce voyage, nous citerons le cas de La Palma Smart Island, un projet ambitieux qui vise à faire de l’île des Canaries un modèle mondial de durabilité, d’innovation et d’efficacité grâce à l’intégration de technologies intelligentes. Il a été conçu en couvrant des domaines clés tels que la gestion des ressources naturelles, la mobilité, la connectivité et le tourisme, dans le but d’améliorer la qualité de vie des habitants et d’offrir une expérience unique aux visiteurs. Grâce à des infrastructures numériques avancées et à des solutions technologiques, il favorise la conservation de l’environnement, la transition énergétique et la participation des citoyens, consolidant La Palma comme une référence dans le développement des îles intelligentes.
En conclusion…
Une fois cet examen effectué, nous pouvons affirmer que les jumeaux numériques sont bien plus qu’une représentation virtuelle ; ils constituent un pont entre les mondes physique et numérique, capable de transformer la manière dont nous interagissons avec notre environnement. Qu’il s’agisse d’objets historiques ou d’écosystèmes entiers, leur polyvalence réside dans leur capacité à intégrer des données, à simuler des scénarios et à optimiser des processus avec un niveau de précision sans précédent. Chaque échelle, de l’usine à la ville, ouvre un éventail de possibilités pour améliorer l’efficacité, préserver le patrimoine et assurer la durabilité.
Dans un monde où les défis sont de plus en plus nombreux, les jumeaux numériques sont devenus un outil indispensable pour prendre des décisions fondées sur des données et créer des solutions innovantes qui profitent à la fois à l’humanité et à la planète. Ce miroir virtuel de la réalité nous permet non seulement de mieux comprendre notre environnement, mais aussi de concevoir un avenir plus intelligent, plus durable et plus connecté.
