DEacuteCEMBRE 2019Les Dossiers de Veille ont pour objectif de vous orir une analyse des grandes tendances numeacuteriques qui bouleversent le monde eacuteconomique actuel

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Si la notion de perfection trouve un terreau fertile dans le milieu de la recherche meacutedicale drsquoautres pans entiers de notre existence sont guideacutes par cette vo-lonteacute de reacuteduire agrave neacuteant les risques drsquoerreur En effet ces erreurs et plus geacuteneacuteralement les deacutefauts ont un coucirct qui peut parfois ne pas ecirctre neacutegligeable ni pour les individus les entreprises et la socieacuteteacute en geacuteneacuteral Lrsquoapproche scientifique de lrsquoorganisation du travail (OST) dans les usines cherche agrave reacutepondre agrave cette vo-lonteacute de rationalisation des coucircts en mixant effica-citeacute et efficience dans la reacutepartition des moyens de production Si cette approche nrsquoest pas reacutecente et a eacutevolueacute depuis lrsquoegravere moderne il nrsquoen reste pas moins que depuis une vingtaine drsquoanneacutees avec lrsquoexplosion des technologies numeacuteriques elle change de visage En recherchant de maniegravere scientifique lrsquoatteinte de la perfection ou du moins de la reacuteduction au maxi-mum des deacutefauts ndash sur toute la chaine de production de la matiegravere premiegravere au produit final ndash les indus-tries fixent la recherche du laquo zeacutero deacutefaut raquo comme un objectif en soi Originellement la theacuteorie du zeacutero deacutefaut srsquoinscrit dans le mouvement lanceacute par la firme japonaise Toyota au sortir de la Deuxiegraveme Guerre

Novembre 2018 La Chine annonce la naissance du premier beacutebeacute geacuteneacutetiquement modifieacute par lrsquoutilisation de la technologie CRISPR-Cas9 Lrsquoobjectif de lrsquoeacutequipe de recherche de lrsquoUniversiteacute de Shenzhen est laquo drsquoob-tenir des enfants en bonne santeacute en eacutevitant le VIH et en fournissant de nouvelles perspectives pour lrsquoeacuteli-mination future des principales maladies geacuteneacutetiques chez les jeunes embryons humains raquo gracircce agrave la mo-dification drsquoun gegravene baptiseacute CCR5 impliqueacute dans la gueacuterison en 2012 drsquoun malade atteint du VIH Cette premiegravere qui depuis a eacuteteacute encadreacutee par des lois de bioeacutethiques suite au tolleacute souleveacute par cette mani-pulation dans le monde entier est le reacutesultat drsquoun processus commenceacute il y a des nombreuses anneacutees1 voire de nombreux siegravecles2 celui de la recherche de la perfection ou plus modestement celle de lrsquoabsence de deacutefaut Cette recherche de perfection (ou agrave un degreacute moindre de normaliteacute) est une caracteacuteristique humaine participant agrave la deacutefinition drsquoune vie bonne et heureuse pleinement accomplie

1 Depuis les anneacutees 1970 la mise en place du Diagnostic Preacutenatal permet aux futurs parents de deacutetecter in utero chez lrsquoembryon ou le fœtus une affection grave (anomalie geacuteneacutetique ou malforma-tion congeacutenitale par exemple) afin de donner aux futurs parents le choix drsquointerrompre ou non la grossesse et de permettre une meilleure prise en charge meacutedicale de la pathologie si la gros-sesse est poursuivie 2 La seacutelection des varieacuteteacutes les croisements les hybridations ont eacuteteacute utiliseacutes depuis la naissance de lrsquoagriculture par lrsquohomme pour ameacuteliorer les rendements favoriser la reacutesistance aux ma-ladies etc

La numeacuterisation du monde est en marche

1La Reacutegion et lrsquoUnion europeacuteenne soutiennent le projet Deacutetection et accompagnement de jeunes entreprises innovantes 2017 dans le cadre du laquo Programme Opeacuterationnel FEDERFSE 2014-2020 raquo

avec le soutien de

Vous pouvez nous suggeacuterer des thegravemes que vous souhaiteriez voir traiteacutes dans une prochaine Note (ou Dossier) de Veilleveilleunitecfr | communicationdigital-aquitainecom

LE JUMEAU NUMEacuteRIQUE EST UN CLONE VIRTUEL DrsquoUN SYSTEgraveME

PHYSIQUE OU DrsquoUN PROCESSUS

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de la smart factory est drsquoecirctre flexible et de srsquoadapter agrave une demande client de plus en plus exigeante Elle gagne ainsi en compeacutetitiviteacute Mais pour cela la logis-tique doit ecirctre parfaitement organiseacutee et efficiente sur lrsquoensemble de la chaine drsquoapprovisionnement du stockage des produits au transport en passant par les eacutequipements (machine camionhellip) les fournitures (matiegraveres premiegraveres emballage carburantshellip) ou encore la planification et les systegravemes drsquoinformation et de controcircle de gestion Drsquoici 2022 selon IDC 40 des industries auront entameacute un processus de numeacute-risation de leurs activiteacutes soit autant drsquoindustries qui seront reacuteellement entreacutees dans lrsquoegravere de lrsquousine 40

Le jumeau numeacuterique est une composante impor-tante de la smart factory au mecircme titre que la fa-brication additive la reacutealiteacute augmenteacutee lrsquointelligence artificielle ou la cobotique Les eacutetudes de marcheacute mondiales convergent toutes vers les mecircmes conclu-sions Ainsi le cabinet ABIresearch estime que dans le monde en 2017 4 des entreprises manufactu-riegraveres avaient un jumeau numeacuterique que 83 ont commenceacute agrave se renseigner et 29 preacutevoyaient de srsquoy essayer dans les 12 mois agrave venir Drsquoapregraves cette eacutetude 54 des industries manufacturiegraveres devraient ecirctre eacutequipeacutees en 2026 ce qui confirme les projections de Gartner qui annonce que cette technologie atteindra sa maturiteacute entre 2022 et 2027 (comme le montre le graphique ci-dessous) Toujours selon les experts le marcheacute mondial des jumeaux numeacuteriques sera com-pris entre 139 milliards de dollars en 2022 et 1566 milliards de dollars en 2023 Drsquoapregraves Gartner et IDC les entreprises qui investissent dans un jumeau nu-meacuterique auront 30 drsquoameacutelioration de leurs pro-cessus critiques

Mondiale qui cherche agrave travers la theacuteorie de la quali-teacute totale dont un des principes fondamentaux est la minimisation des pertes par une qualiteacute absolue via la mobilisation de lrsquoensemble des parties prenantes de lrsquoentreprise une ameacutelioration continue des pro-cessus de production Chaque employeacute est appeleacute agrave une vigilance de tous les instants sur les chaines de production La culture du zeacutero deacutefaut se retrouve aus-si au niveau des managers et des cadres qui doivent veiller agrave ce que cette culture srsquoinfuse agrave lrsquoensemble des eacutequipes Au niveau de la direction la recherche de la qualiteacute absolue a surtout pour objectif de minimi-ser les coucircts associeacutes aux deacutefauts ou agrave la perte qui viennent grever les reacutesultats eacuteconomiques des en-treprises Dans lrsquoindustrie du bacirctiment par exemple 35 des coucircts sont directement ou indirectement lieacutes aux gacircchis des mateacuteriaux et aux travaux correc-tifs suite agrave des deacutefauts de conception

La philosophie geacuteneacuterale de lrsquoUsine 40 reacutepond agrave cette volonteacute drsquoefficaciteacute et drsquoefficience de nos modes de production industrielle Lrsquousine 40 crsquoest la 4eme geacute-neacuteration drsquoune eacutevolution des modes et des organisa-tions de la production industrielle Elle srsquoinscrit dans la continuiteacute de la Reacutevolution Industrielle et de sa troisiegraveme eacutetape qui correspond agrave lrsquointroduction des nouvelles technologies de lrsquoinformation et de la com-munication dans les systegravemes et le recours de plus en plus fort agrave lrsquoautomatisation et agrave la robotisation Le concept drsquousine 40 a eacuteteacute eacutevoqueacute pour la premiegravere fois lors de la Foire de Hanovre de 2011 Elle corres-pond agrave une nouvelle faccedilon drsquoorganiser les moyens de production mettre en place des usines laquointelli-gentesraquo ougrave tout est reacutealiseacute en interaction entre les produits et les machines et les machines entre elles lieacutes dans un reacuteseau lui-mecircme connecteacute avec des systegravemes externes (commu-nication instantaneacutee et en continu) Lrsquousine 40 est un systegraveme global in-terconnecteacute qui peut potentiellement concerner toutes les entreprises on parle alors de smart factories

A lrsquointeacuterieur des usines cela se tra-duit par une interaction forte entre les systegravemes informatiques les cap-teurs communicants de plus en plus preacutesents lrsquoIIoT (Industrial Internet of Things) les logiciels de simulation de traitement de lrsquoinformation de pilo-tage les machines aux performances toujours plus eacuteleveacutees Les usines de-viennent de plus en plus agiles effi-caces et performantes Lrsquoune des forces

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PLM raquo il comporte en lui les preacutemisses du jumeau numeacuterique y sont preacutesents les espaces physique et virtuel les donneacutees sous forme drsquoun flux entre les deux espaces ainsi que les sous-espaces virtuels qui composent la modeacutelisation virtuelle de lrsquoobjet Selon Grieves il eacutetait possible de creacuteer une repreacutesentation numeacuterique virtuelle parfaite drsquoun objet physique au-quel il serait relieacute sur lrsquoensemble du cycle de vie (agrave travers un eacutechange permanent de jeux de donneacutees)

Veacuteritable miroir3 de lrsquoobjet physique et de ces carac-teacuteristiques le jumeau numeacuterique (terme finalement adopteacute en 2011) nrsquoexiste reacuteellement que srsquoil reacuteunit trois objets

bull La preacutesence drsquoun produit physique dans son envi-ronnement reacuteel

bull La creacuteation du jumeau dans un espace virtuelbull La circulation drsquoinformations reliant les deux es-

paces

Srsquoil ne remplace pas son original physique le jumeau numeacuterique en integravegre toutes les fonctionnaliteacutes Se-lon lrsquoAlliance Industrie du futur laquo le jumeau numeacute-rique est un clone virtuel drsquoun systegraveme physique ou drsquoun processus Il implique systeacutematiquement lrsquoexis-tence drsquoun couple laquo modegravele numeacuterique raquo avec lrsquoobjet qursquoil copie Les objets concerneacutes peuvent ecirctre un pro-duit une machine une ligne de production un pro-cess une supply chain Suivant le systegraveme concerneacute et lrsquoutilisation souhaiteacutee il peut ecirctre un modegravele geacuteomeacute-trique multiphysique fonctionnel comportemental Il doit eacutevoluer dans le temps comme son jumeau reacuteel raquo Le cabinet Gartner deacutefinit le jumeau numeacuterique comme laquo une repreacutesentation numeacuterique drsquoun objet physique Cela inclut le modegravele de lrsquoobjet physique les donneacutees de lrsquoobjet une correspondance unique avec lrsquoobjet et la possibiliteacute de surveiller lrsquoobjet raquo et classe ce dernier comme une des technologies disruptives de lrsquousine de demain depuis de nombreuses anneacutees

3 Grieves a un temps preacutesenteacute son modegravele sous lrsquoappellation Mirrored Spaces Model

Cette philosophie du zeacutero deacutefaut se retrouve dans bon nombre de domaines tant au niveau collectif qursquoau niveau de lrsquoindividu Le jumeau numeacuterique qui peut se deacutecliner nous allons le voir en bien des ver-sions diffeacuterentes peut reacutepondre parfaitement agrave cette exigence de perfection En effet en eacutetablissant une correspondance complegravete entre un objet physique et son double virtuel il est possible drsquoanticiper en si-mulant et modeacutelisant des externaliteacutes sur le double numeacuterique lrsquoimpact de ces mecircmes externaliteacutes sur lrsquoobjet physique A lrsquoheure de la production et de la collecte massive des donneacutees les coucircts lieacutes agrave lrsquoeacuteta-blissement drsquoun jumeau numeacuterique chutent permet-tant agrave quasiment tous les secteurs drsquoactiviteacutes et bon nombre drsquoentreprises drsquoenvisager la mise en place de ce type de solution dans une strateacutegie plus globale de rationalisation des coucircts Mais au-delagrave du secteur industriel principal client des technologies de ju-meau numeacuterique drsquoautres secteurs lorgnent sur les promesses de ces technologies Au premier rang de ceux-ci la santeacute et la meacutedecine nrsquoheacutesitent pas agrave in-vestir le monde des doubles digitaux afin drsquoapporter des solutions dans le traitement de plus en plus per-sonnaliseacute des maladies Lrsquoarchitecture lrsquourbanisme mais aussi la smart city sont eacutegalement des secteurs drsquoactiviteacutes qui se lancent dans lrsquoaventure du jumeau numeacuterique gestion des fluides maquettes 3D BIM autant drsquoenjeux auxquels le jumeau numeacuterique peut reacuteponse Ce dossier de veille fait le point sur ce mar-cheacute en plein essor

1- Jumeau numeacuterique double numeacuterique quelques eacuteleacutements de deacutefinition

Il existe de nombreuses deacutefinitions du jumeau nu-meacuterique (aussi appeleacute double numeacuterique) Initiale-ment la notion a eacuteteacute inventeacutee par Michael Grieves speacutecialiste de la gestion du cycle de vie des produits (PLM Product Lifecycle Management) en 2002 Si le concept se nomme alors laquo ideacuteal conceptuel pour le

Conceptual Ideal for PLM selon Michael Grieves 2002

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Pour fonctionner un jumeau numeacuterique doit rassem-bler trois fonctions

bull Lrsquoappreacutehension le double rassemble des don-neacutees afin de mettre agrave jour son modegravele Ce sont des traitements automatiseacutes afin de preacutedire des comportements

La compreacutehension gracircce agrave la simulation le jumeau peut ecirctre interrogeacute sur les conseacutequences des va-riations de certains paramegravetres Ce qui permet par exemple de dresser des scenarios suite agrave des acci-dents theacuteoriques (dans le cas de centrale nucleacuteaire)bull Lrsquoaction le jumeau numeacuterique propose un plan

drsquoaction agrave examiner Lrsquoopeacuterateur peut la mettre en place soit virtuellement (pour en eacutevaluer les conseacutequences) soit physiquement (par exemple srsquoil a le controcircle sur certains paramegravetres drsquoune usine)

Pour lrsquoun des leaders mondiaux des solutions IoT Exosite il existe trois niveaux de maturiteacute du jumeau numeacuterique

bull La forme partielle le jumeau numeacuterique mini-mal contient geacuteneacuteralement un petit nombre de sources de donneacutees telles que la tempeacuterature la pression et lrsquoeacutetat du peacuteripheacuterique Des jumeaux numeacuteriques partiels peuvent ecirctre utiles pour sur-veiller une meacutetrique ou un eacutetat cleacute agrave partir drsquoun actif agrave faible consommation drsquoeacutenergie ou agrave res-sources limiteacutees tel qursquoune ampoule connecteacutee qui signale simplement son eacutetat drsquoalimentation

reacuteel

bull La forme cloneacutee cette forme contient toutes les sources de donneacutees significatives et mesurables drsquoun actif Ce niveau est applicable lorsqursquoun ac-tif connecteacute nrsquoest pas soumis agrave des contraintes drsquoalimentation ou de donneacutees Il est utile lors des phases de prototypage et de caracteacuterisation des donneacutees du deacuteveloppement IoT

bull La forme augmenteacutee le jumeau numeacuterique aug-menteacute ameacuteliore les donneacutees de lrsquoactif connecteacute avec des donneacutees deacuteriveacutees des donneacutees cor-reacuteleacutees de sources feacutedeacutereacutees et ou des donneacutees drsquointelligence issues drsquoanalyses et drsquoalgorithmes

En mai 2017 le Computing Community Consortium ameacutericain a eacutetabli une feuille de route nationale pour la recherche en matiegravere drsquoinfrastructure intelligente Selon le consortium une infrastructure intelligente consiste agrave inteacutegrer les capaciteacutes de deacutetection drsquoin-formatique et de communication aux infrastruc-tures physiques urbaines et rurales traditionnelles telles que les routes les bacirctiments et les ponts afin drsquoaccroicirctre lrsquoefficaciteacute la reacutesilience et la seacutecuriteacute En drsquoautres termes il srsquoagit drsquoassocier dans une volonteacute de moderniser les infrastructures agrave chaque eacuteleacutement constitutif (bacirctiment routes etc) un double numeacute-rique Celui-ci se doit drsquoecirctre

bull Descriptif offre une description et une carac-teacuterisation en temps reacuteel et preacutecise de lrsquoeacutetat du systegraveme physique Par exemple le jumeau nu-

image from helloopenworldcom

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meacuterique peut indiquer en temps reacuteel lrsquoeacutetat drsquoun circuit drsquoalimentation en eau drsquoun bacirctiment

bull Prescriptif le jumeau numeacuterique peut recom-mander des actions agrave mener agrave court terme ou agrave moyen terme Par exemple il peut recommander de deacutevier la circulation sur une route congestion-neacutee

bull Preacutedictif le jumeau numeacuterique doit eacutegalement ecirctre preacutedictif crsquoest-agrave-dire ecirctre en mesure drsquoanti-ciper et de preacutevoir les modifications auxquelles va ecirctre soumis le systegraveme physique en se basant sur une eacutevaluation de lrsquoeacutetat simuleacute sur les modegraveles eacutetablis agrave partir des donneacutees collecteacutees preacuteceacutedem-ment et les ressources et capaciteacutes disponibles agrave lrsquoinstant-t Par exemple le jumeau numeacuterique doit pouvoir preacutedire les conseacutequences drsquoune inon-dation dans un quartier agrave partir de donneacutees is-sues de capteurs des modegraveles meacuteteacuteorologiques passeacutes et preacutesents et des capaciteacutes drsquoabsorption de lrsquoeacutecoulement des eaux du systegraveme drsquoeacutegout

bull Proactif il permet la prise de deacutecisions et la pla-nification de sceacutenarios en incorporant des don-neacutees exogegravenes

Le CCC propose alors le deacutecoupage suivant drsquoun sys-tegraveme drsquoinfrastructure intelligente

Pour terminer nous pouvons reprendre les propos de Ceacutedric Mangaud PDG et cofondateur drsquoOctonion agrave propos de la philosophie du jumeau numeacuterique Se-lon lui laquo il ne srsquoagit en aucun cas de nier la possibili-teacute de dysfonctionnement il srsquoagit de mettre en place il srsquoagit de mettre en place les moyens techniques permettant drsquoen anticiper les les moyens techniques permettant drsquoen anticiper les conseacutequences pouvant mettre en danger lrsquoensemble conseacutequences pouvant mettre en danger lrsquoensemble drsquoune chaicircne de valeur et permettre de reacutesoudre le pro-drsquoune chaicircne de valeur et permettre de reacutesoudre le pro-blegraveme avant qursquoil ne se poseblegraveme avant qursquoil ne se pose raquo

2- Un peu drsquohistoire hellip

La NASA est lrsquoune des pionniegraveres dans lrsquohistoire du jumeau numeacuterique A lrsquoorigine la NASA faisait ce qursquoelle appelle de la technologie drsquoappariement (pai-ring technology) En effet il srsquoagissait pour le geacuteant de lrsquoaeacuterospatiale de pouvoir faire fonctionner entre-tenir ou encore reacuteparer des systegravemes situeacutes agrave des millions de kilomegravetres du centre de commandement Crsquoest pour cela qursquoil lui fallait pouvoir depuis la Terre simuler les problegravemes qui pouvaient arriver afin drsquoin-diquer aux astronautes ingeacutenieurs comment interve-nir Crsquoest gracircce agrave cette technique que lrsquoeacutequipage du vol Apollo 13 a pu ecirctre sauveacute en 1970 Aujourdrsquohui la NASA utilise le concept de jumeau numeacuterique lors de la fabrication des veacutehicules spatiaux afin de reacutepondre aux enjeux de seacutecuriteacute qui se preacutesentent agrave chaque vol dans lrsquoespace Comme le stipule un article laquo les

veacutehicules eacutetant suscep-tibles de faire face agrave des conditions impreacutevisibles de nouvelles approches en matiegravere de veacuterification et de validation des modegraveles des simulations et des sys-tegravemes doivent ecirctre deacutevelop-peacutees En outre la capaciteacute de modifier et drsquoeacutevaluer les conseacutequences de la modifi-cation des paramegravetres de la mission en temps quasi reacuteel devient neacutecessaire raquo En ce sens le jumeau digital se doit laquo de preacutevoir en perma-nence la santeacute du veacutehicule ou du systegraveme dans son ensemble la dureacutee de vie restante et la probabiliteacute de reacuteussite de la mission Le ju-meau numeacuterique peut eacutega-lement preacutevoir les reacuteactions du systegraveme aux eacuteveacutenements critiques pour la seacutecuriteacute et drsquoidentifier des problegravemes

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client Pour la socieacuteteacute Swiss International Airlines Aviatar a modeacuteliseacute agrave travers la reacutealisation de ju-meaux numeacuteriques lrsquoensemble de la flotte aeacuterienne Lrsquoobjectif premier est simple proposer aux clients des avions fiables et ponctuels sur tous les vols Pour cela gracircce aux jumeaux numeacuteriques la compagnie aeacuterienne peut suivre en temps reacuteel lrsquoeacutetat physique de chacun des avions (et disposer des mecircmes informa-tions que les pilotes) anticiper les interventions de maintenance par un systegraveme drsquoalerte afin drsquointerve-

nir le plus rapidement possible et preacutedire de maniegravere fiable les pannes et usures eacuteventuelles auxquelles les avions vont devoir faire face agrave partir des donneacutees geacute-neacutereacutees et modeacuteliseacutees sur le jumeau numeacuterique Les conseacutequences sont claires les entreprises qui font appel au modegravele Aviatar rationalisent lrsquoutilisation de leur flotte drsquoavions leur permettant de rendre plus fluide et efficiente la gestion des vols et le temps passeacute au sol Gracircce agrave cela elles reacuteduisent leurs coucircts lieacutes agrave la consommation de carburant mais aussi les coucircts lieacutes au maintien au sol Le recours au jumeau numeacuterique permet eacutegalement drsquoeacuteviter des coucircts im-portants de maintenance par lrsquointermeacutediaire drsquoune preacutevention plus active (gracircce aux modegraveles preacutedictifs) mais aussi par des interventions plus rapides et plus cibleacutees

jusque-lagrave inconnus avant qursquoils ne deviennent cri-tiques en comparant les reacuteponses preacutedites et reacuteelles Enfin les systegravemes incorporeacutes au jumeau numeacuterique doivent ecirctre capables drsquoatteacutenuer les dommages ou les deacutegradations en activant des meacutecanismes drsquoau-to-gueacuterison ou en recommandant des modifications du profil de la mission pour reacuteduire les charges aug-mentant ainsi agrave la fois la dureacutee de vie [du veacutehicule] et la probabiliteacute de reacuteussite de la mission raquo

Dans lrsquoaeacuteronautique et lrsquoaeacuterospatiale de nombreuses entreprises drsquoingeacutenierie de pointe ont suivi de pregraves lrsquoexemple de la NASA notamment les eacutequipemen-tiers civils et militaires James Happelmann Preacutesident de PTC (eacutediteurs de solutions et plateformes techno-logiques permettant aux entreprises et industries drsquoassurer une parfaite transformation numeacuterique) nrsquoheacutesite drsquoailleurs pas Selon lui laquo si un constructeur surveille les jumeaux numeacuteriques de ses avions cela lui permettra par exemple drsquoinformer une compagnie que ses pilotes consomment plus de carburants que la plupart des autres compagnies et lui proposer de la formation Elle pourra aussi alerter les socieacuteteacutes de ser-vice quand les pneus doivent ecirctre changeacutes non plus en se basant sur une moyenne mais sur lrsquoeacutetat reacuteel des pneus ce qui geacutenegravere des eacuteconomies raquo Aviatar est une plateforme de services aux compagnies aeacuteriennes qui disposent de flottes drsquoavions Cette plateforme se compose agrave lrsquoimage drsquoun store drsquoapplications de briques de services activables selon les besoins du

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diffeacuterents choix drsquoeacutevolution possibles avant de les reacutealiser engendrant des eacuteconomies substantielles tout en gagnant du temps Des socieacuteteacutes franccedilaises proposent eacutegalement des services cleacute-en-main de reacutealisation de jumeau numeacuterique de hangars comme MyDigitalBuildings Cette socieacuteteacute de digitalisation de bacirctiments utilise les meacutethodes les plus innovantes pour reacutealiser agrave partir de mesures ultrapreacutecises des veacuteritables doubles virtuels de hangars Elle a ainsi reacute-aliseacute pour la socieacuteteacute Helisair un jumeau numeacuterique drsquoun bacirctiment qui accueille des heacutelicoptegraveres Apregraves

la captation des points drsquointeacuterecirct gracircce agrave un scanner la socieacuteteacute est capable de modeacuteliser un modegravele 2D puis un modegravele 3D du hangar avec lrsquoensemble des cocirctes exactes1 En conseacutequence lrsquoentreprise dispose drsquoun modegravele numeacuterique dans lequel elle peut deacutepla-cer lrsquoensemble des eacuteleacutements agrave stocker (heacutelicoptegraveres mateacuteriel et outils de maintenance etc) afin drsquoen simuler lrsquoorganisation optimale Plus pregraves de nous lrsquoentreprise angoumoisine Iteca est eacutediteur de solu-tions drsquoIntelligence Industrielle de transformation digitale des industries en utilisant des technologies de pointe comme lrsquoIA deacutecisionnelle la Reacutealiteacute Vir-4 On parle de photogrammeacutetrie

3- Vers une virtualisation des hangars et des usines

Mais lrsquoaeacuteronautique nrsquoutilise pas le jumeau numeacute-rique dans le seul cadre de la gestion de la flotte aeacuterienne mais aussi dans celui de lrsquooptimisation au sol des hangars et des usines En 2017 le groupe tou-lousain Lateacutecoegravere a ainsi choisi de confier la digita-lisation de ses usines et hangars situeacutes pregraves de Tou-louse agrave Dassault System et Visiativ Lrsquoobjectif eacutetait de concevoir une usine entiegraverement automatiseacutee

et en fonctionnement 24h24 et 7j7 Pour cela Vi-siativ est intervenu afin de modeacuteliser le jumeau nu-meacuterique de lrsquousine via la mise au point drsquoun modegravele 3D unique de celle-ci Gracircce agrave cette modeacutelisation le Groupe Lateacutecoegravere a pu faire les bons choix en amont de la construction et ainsi seacutecuriser les performances agrave chaque eacutetape de la conception du bacirctiment agrave lrsquoexeacute-cution Visiativ srsquoest appuyeacute sur la suite applicative Delmia du Groupe Dassault System afin de numeacuteri-ser le bacirctiment les machines les postes de travail ainsi que les flux internes Le jumeau numeacuterique par sa souplesse permettra eacutegalement agrave Lateacutecoegravere de simuler et visualiser sur la maquette numeacuterique

LA PLACE BORDELAISE ACTIVE SUR LE SUJET DU JUMEAU NUMEacuteRIQUE

La meacutetropole bordelaise est particuliegraverement concerneacutee par le sujet du jumeau numeacuterique Outre InHeart et Nurea (preacutesenteacutes dans le document) plusieurs entreprises deacuteveloppent des solutions de Digital Twins Hiventive est une start-up bordelaise speacutecialiseacutee dans la conception de produits eacutelectroniques Face aux problegravemes rencontreacutes par les diffeacuterentes parties prenantes (deacuteveloppement mateacuteriel deacuteveloppement applicatifs) dans la conception et la reacutealisation drsquoun produit eacutelectronique conduisant agrave un retard de commercialisation Hiventive propose une plateforme de prototypage numeacuterique ouverte aux entreprises deacutesireuses drsquoutiliser un jumeau numeacuterique degraves les premiegraveres phases de conception du produit afin de tester sur un prototype virtuel les eacuteventuels failles et eacutecueils Lrsquoobjectif est de reacuteduire le temps et les coucircts lieacutes agrave la conception des produits eacutelectronique Fondeacutee en 2012 agrave Paris et installeacutee agrave Bordeaux depuis 2014 FieldBoxai est une entreprise forte drsquoune trentaine de salarieacutes qui œuvre dans lrsquounivers de lrsquousine 40 en fournissant aux entreprises et aux grands groupes des solutions numeacuteriques drsquooptimisation Utilisant des algorithmes drsquointel-ligence artificielle nourris par des flots de donneacutees fournies par les machines et leurs opeacuterateurs lrsquoentreprise permet aux industriels drsquoanticiper les pannes et drsquoen reacuteduire les coucircts drsquointervention FieldBoxai met agrave disposition son expertise dans tous les secteurs drsquoactiviteacutes industriels Dans le domaine de la santeacute au travail lrsquoentreprise Aio deacuteveloppe Numii un jumeau numeacuterique permettant drsquoidentifier et de preacutevenir les troubles musculosquelettiques au travail Gracircce agrave des capteurs placeacutes pregraves drsquoun salarieacute la solution enregistre et cartographie lrsquoensemble des gestes effectueacutes ainsi que les postures Par cette virtualisation Numii propose aux chefs drsquoentreprise et aux responsables drsquousine des preacuteconisations une image fidegravele du comportement de chaque salarieacute permettant de prendre des mesures (modification des conditions de travail modification des horaires prise en charge des TMS) ameacuteliorant la qualiteacute de vie au travail et la santeacute de tous les collaborateurs

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en reacutealisant un double drsquoune usine il est possible de simuler et visualiser lrsquoimpact drsquoune modification des installations sur la productiviteacute globale de lrsquousine Crsquoest ainsi le cas de lrsquousine de Congleton en Angle-terre qui apregraves avoir subi de plein fouet la crise de 2008 a releveacute la tecircte se transformant en usine 40 dont le jumeau numeacuterique est une composante (en plus drsquoune salle de reacutealiteacute virtuelle un recours agrave lrsquoIoT et au cloud computing) Siemens qui est le proprieacute-taire de lrsquousine a fait le pari du jumeau numeacuterique afin de simuler lrsquoimplantation des chaines de production dans un milieu urbain contraint ne permettant pas drsquoagrandir les bacirctiments Sanofi utilise eacutegalement le jumeau numeacuterique dans le cadre de la gestion de ses usines avec trois volets le premier volet concerne les salarieacutes puisque le jumeau numeacuterique permet agrave lrsquoentreprise de proposer aux futurs salarieacutes de visua-

tuelle et la Reacutealiteacute Augmenteacutee mais aussi la reacutealisa-tion de jumeaux numeacuteriques propose une suite de solutions pour la modernisation des industries (reacutea-liteacute virtuelle ndash reacutealiteacute augmenteacutee robots collabora-tifs objets connecteacutes) dont fait partie la reacutealisation de jumeau numeacuterique Les objectifs annonceacutes sont clairs aide agrave la conception aide agrave lrsquoameacutenagement des lignes de production communication interne formation interface de supervision de lrsquoentreprise simulation drsquoorganisation drsquoune usine drsquoune ligne de fabrication reacuteorganisation virtuelle virtualisation du controcircle-commande Lrsquooffre de lrsquoentreprise permet une reacuteelle modernisation de lrsquoindustrie

Le recours au jumeau numeacuterique permet dans les usines une implantation optimale des lignes de pro-duction des machines et des postes de travail Ainsi

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4- Bacirctiments amp villes les nouveaux terrains de jeu du jumeau numeacuterique

Autre domaine dans lequel le jumeau numeacuterique est de plus en plus utiliseacute celui de lrsquoarchitecture et de lrsquourbanisme Depuis longtemps ces deux corps de meacutetiers utilisent des modegraveles 3D pour concevoir les bacirctiments et leurs ameacutenagements ainsi que leur implantation agrave lrsquoeacutechelle drsquoun icirclot ou drsquoun quartier De-puis une trentaine drsquoanneacutees urbanistes ameacutenageurs et architectes utilisent le BIM (Building Information Modeling) pour coordonner les eacutechanges drsquoinforma-tions fiables tout au long de la dureacutee de vie drsquoun bacircti-ment ou drsquoinfrastructures de leur conception jusqursquoagrave leur deacutemolition Cependant le BIM preacutesente le deacute-faut majeur qursquoil nrsquoinclut geacuteneacuteralement pas de don-neacutees en temps reacuteel collecteacutees sur le site de construc-tion ou le bacirctiment en exploitation Lrsquoobjectif est de deacutevelopper un jumeau numeacuterique du bacirctiment - une repreacutesentation numeacuterique en temps reacuteel drsquoun bacircti-ment ou drsquoune infrastructure Cela diffegravere du BIM Le jumeau numeacuterique utilise des outils et des techno-logies pour collecter et traiter des donneacutees reacuteelles et des informations provenant drsquoappareils de compo-sants de piegraveces et de machines situeacutees sur un site de construction en cours ainsi que des structures en cours drsquoutilisation A Bidart dans le Pays Basque lrsquoentreprise AlgoTech propose ArchiData une solu-tion logicielle est baseacutee sur la reacutecupeacuteration de lrsquoin-

liser leur poste de travail et de se former de maniegravere plus ludique Le deuxiegraveme volet est plus opeacuterationnel puisqursquoil consiste agrave eacutevaluer le temps de production des meacutedicaments en simulant sur le jumeau numeacute-rique la chaine de production en introduisant des pa-ramegravetres particuliers agrave chaque meacutedicament

Cela permet donc agrave lrsquoentreprise drsquoanticiper les rup-tures dans la chaine de production et drsquoanticiper la gestion des stocks agrave priori Enfin dernier volet le ju-meau numeacuterique permet eacutegalement agrave Sanofi drsquoanti-ciper les possibles pannes sur les machines de pro-duction et donc drsquointervenir en anticipation afin de ne pas bloquer la production Pour ce dernier point Sanofi mutualise les informations avec les diffeacute-rentes usines qui produisent les mecircmes meacutedica-ments agrave partir des mecircmes machines afin de collec-ter plus de donneacutees et drsquoavoir des modegraveles preacutedictifs beaucoup plus preacutecis Selon Mohit Joshi Preacutesident drsquoInfosys Brazil crsquoest toute lrsquoindustrie pharmaceu-tique qui doit aujourdrsquohui srsquoemparer de cette probleacute-matique du jumeau numeacuterique (et plus largement de lrsquousine 40) puisqursquoelle tirerait parti de lrsquoutilisa-tion drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoensemble de la chaine de production Selon lui laquo avec des donneacutees preacutecises et des analyses agrave disposition les processus de fabrication des meacutedicaments seront mieux controcircleacutes et offriront le meilleur rendement possible Cela per-mettra non seulement de diminuer les coucircts mais aussi de reacuteduire le gaspillage des ressources utiliseacutees En outre les jumeaux numeacuteriques des meacutedicaments produits en seacuterie par exemple les vaccins faciliteront le suivi et la veacuterification des produits ce qui est de plus en plus important dans la distribution en particulier pour les urgences meacutedicales raquo

LA VIRTUALISATION DES HOcircPITAUX EST EN ROUTE

A Saint-Etienne dans la Loire lrsquoEcole des Mines a lanceacute une plateforme multifonctions permet-tant de favoriser la co-creacuteation mais aussi lrsquoex-peacuterimentation en interaction directe avec les industriels et professionnels du secteur Fu-tureMedecine se deacutecline en trois pocircles scien-tifiques et techniques autour drsquoun living lab orienteacute silver economy (MedTechLab) un open-lab pour le design thinking en santeacute centreacute sur les dispositifs meacutedicaux (MedTechDesign) et un deacutemonstrateur industriel deacutedieacute agrave lrsquoeacutelaboration des poudres bioceacuteramiques (3DFabLab) Par-

mi les initiatives lrsquoEcole des Mines a collaboreacute avec le CHU de Saint Etienne afin de reacutealiser un jumeau numeacuterique de la structure hospita-liegravere lrsquoobjectif de HoVi est de creacuteer un jumeau digital de lrsquohocircpital et mettre agrave disposition de lrsquoensemble des salarieacutes (corps meacutedical et ad-ministratif) des applications innovantes en lien avec la reacutealiteacute virtuelle et la reacutealiteacute augmenteacutee Srsquoil fonctionne pour lrsquoinstant sur des donneacutees simuleacutees lrsquohocircpital virtuel utilisera agrave terme des donneacutees fournies tous les quarts drsquoheure par le CHU heure drsquoentreacutee du patient patholo-gie demande drsquoavis de speacutecialiste heure de sortiehellip Ces donneacutees permettent de deacuteduire des tendances drsquoaffluence ou de temps de prise en charge Surtout le logiciel permet de visualiser lrsquoimpact drsquoune baisse drsquoeffectifs voire de simu-ler une catastrophe naturelle ou un attentat pour mieux y reacutepondre en conditions reacuteelles

Source wwwmines-stetiennefr

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la reacutealisation de jumeaux numeacuteriques de grands pro-jets urbains et de villes Les reacutefeacuterences ne manquent pas Sceaux Ville de Saint Denis Nantes Meacutetropole pour ce qui concerne les projets urbains Socieacuteteacute du Grand Paris Aiguillage de Nemours avec la SNCF pour les projets relatifs aux transports etc Vectuel utilise les derniegraveres technologies de captation de traitement et de restitution de donneacutees permettant de construire des jumeaux numeacuteriques comme outils drsquoaide agrave la deacutecision On assiste eacutegalement agrave lrsquoeacutemer-gence du BEM (Building Energy Model) qui peut ve-nir compleacuteter le BIM en ajoutant agrave la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des bacirctiments une modeacutelisation eacutener-geacutetique en inteacutegrant des informations sur les ma-teacuteriaux utiliseacutes et leurs proprieacuteteacutes drsquoisolation mais aussi des informations eacutenergeacutetiques telles que les systegravemes drsquoinstallations le type drsquoisolation les en-veloppes opaques les structures vitreacutees les sources drsquoeacutenergie les donneacutees climatiques entreacutees internes aspects et caracteacuteristiques du chauffage du refroi-dissement et de la ventilation En inteacutegrant le BEM au jumeau numeacuterique il est possible de simuler et drsquoeacutevaluer lrsquoimpact des modifications des mateacuteriaux ou de la disposition des structures sur lrsquoimpact eacutener-geacutetique de la construction

De plus en plus de grandes villes et de grands centres urbains souhaitent se doter drsquoun double numeacuterique Au-delagrave de lrsquooutil de communication les maquettes 3D permettent eacutegalement aux conseils municipaux de discuter des grands choix qui srsquooffrent agrave eux en matiegravere drsquoameacutenagement et de gestion de la ville Le jumeau numeacuterique a lrsquoavantage de permettre de vi-sualiser les conseacutequences drsquoune deacutecision sur la voirie par exemple Le choix de telle essence drsquoarbres plu-

telligence des plans papier ou numeacuteriques 2D et les modegraveles issus du logiciel Revit (eacutediteacute par Autodesk) pour laquo architecturer raquo la Gestion de Patrimoine Im-mobilier dans une plateforme web inteacutegreacutee Avec les jumeaux numeacuteriques les modegraveles de conception et de construction seront synchroniseacutes permettant aux entreprises de surveiller en permanence les progregraves reacuteels reacutealiseacutes par rapport agrave la planification initiale ba-seacutee sur le BIM

De maniegravere geacuteneacuteral lrsquoutilisation drsquoun double numeacute-rique permet

bull Le suivi automatiseacute des progregraves permettant de veacuterifier la conformiteacute du reacutesultat aux plans et de-vis

bull Le suivi quotidien des changements et des eacutevolu-tions du modegravele permettant la deacutetection preacutecoce des deacutefauts et des eacutecarts au jumeau

bull La preacutevision dynamique des besoins eacutevitant ainsi une surallocation des ressources

bull Lrsquoassurance de la seacutecuriteacute des travailleurs gracircce agrave un systegraveme de deacutetection preacutecoce et de notifica-tion par application drsquoune intelligence artificielle

bull Lrsquoeacutevaluation de la qualiteacute au moyen de technolo-gies de traitement drsquoimages permettant de veacuteri-fier les conditions de la structure et de deacutetecter les fissures ou le deacuteplacement de mateacuteriaux reacute-duisant ainsi le nombre des inspections

bull Lrsquooptimisation de lrsquoutilisation des eacutequipements par imagerie

Parmi les leaders franccedilais du marcheacute lrsquoentreprise bor-delaise Vectuel œuvre depuis de nombreuses anneacutees maintenant dans lrsquounivers de la modeacutelisation 3D et

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bull De lrsquoexpeacuterimentation virtuelle comme par exemple identifier les zones non couvertes par la 4G dans la ville et ainsi mettre en eacutevidence les poches drsquoinaccessibiliteacute

bull Des laquo bancs drsquoessais raquo virtuels par la modeacutelisa-tion et la simulation des mouvements de foule il est possible drsquoidentifier les zones agrave risques et de mettre en eacutevidence sur le modegravele virtuel les proceacutedures drsquoeacutevacuation

bull De la planification et de la prise de deacutecision il est par exemple possible gracircce agrave la modeacutelisation 3D drsquoenvisager le deacuteploiement de panneaux solaires sur les toits des buildings en eacutevaluant lrsquoimpact en termes de production drsquoeacutenergie verte

bull De la collaboration entre la Ville et les diffeacuterents centres de recherche scientifique travaillant sur la modeacutelisation3 sur lrsquointelligence artificielle et les algorithmes sur les SIG

Le jumeau nu-meacuterique peut eacute g a l e m e n t permettre de reacutealiser des si-mulations de catastrophes et aider agrave la deacuteci-sion du plani-ficateur en cas de survenue La socieacuteteacute drsquoex-ploitation des eaux de lrsquoEssex et du Suffolk en Angleterre

Northumbrian Water a travailleacute avec lrsquoUniversiteacute de Newcastle agrave un projet de reacutealisation de jumeaux nu-meacuteriques baptiseacutes laquo Twincident raquo permettant agrave la socieacuteteacute de reacutealiser sur des modegraveles numeacuteriques des simulations de catastrophes comme la rupture drsquoune pipeline drsquoalimentation en eau potable ou les conseacute-quences drsquoune tempecircte seacutevegravere sur les risques drsquoinon-dation Lrsquoobjectif est de simuler les eacutevolutions sur 24 heures et drsquoanticiper les conseacutequences des incidents Cette simulation permet agrave lrsquoentreprise de reacuteagir plus vite en cas drsquoavarie et de limiter les conseacutequences environnementales ainsi que les deacutesagreacutements pour ses clients

3 A titre drsquoexemple sur le site GitHub on peut trouver une mo-deacutelisation 3D en temps reacuteels du systegraveme de transport public tokyoiumlte Veacuteritable jumeau numeacuterique il permet de suivre en temps reacuteel lrsquoeacutevolution du trafic dans la capitale nippone Lien

tocirct que telle autre peut ecirctre testeacute en temps reacuteel et visuellement Si dans le domaine de lrsquoarchitecture le jumeau numeacuterique est la continuiteacute du BIM en ameacutenagement du territoire on peut parler de SIG 20 (Systegraveme drsquoinformations geacuteographiques) Il devient possible de simuler un ameacutenagement en fixant les surfaces agrave usage tertiaire les surfaces commerciales et le reste pour les logements et deacuteterminer lrsquoimpact eacuteconomique ou le besoin de nouveaux moyens de transport de ces zones Le modegravele 3D peut aussi ecirctre exploiteacute pour eacutevaluer lrsquoimpact drsquoameacutenagements rou-tiers comme la construction drsquoun nouveau rond-point ou drsquoun nouveau pont Le modegravele peut ecirctre exploiteacute afin de mener des simulations drsquoeacutevegravenements clima-tiques et comme un support agrave la prise de deacutecision A Paris le chantier de la future Gare du Nord a eacuteteacute en-tiegraverement digitaliseacute afin drsquoentamer une consultation publique avec les riverains et les usagers de la Gare SNCF2 Au final gracircce agrave lrsquoapport du jumeau numeacute-rique comme outil de concer-tation plu-sieurs projets ont eacuteteacute retenus comme la veacute-geacutetalisation du toit de la gare l rsquo o u v e r t u r e drsquoun bureau de Poste mais aussi la mise en place drsquoes-paces culturels et sportifs

La Ville de Chicago a fait appel agrave AutoDesk ndash speacute-cialiseacutee dans la Conception Assisteacutee par Ordinateur (CAO) ndash pour reacutealiser un modegravele 3D de la ville et de sa banlieue afin drsquoeacutevaluer plusieurs sceacutenarios envi-ronnementaux mais aussi pour mesurer lrsquoimpact de lrsquoinstallation drsquoune liaison ferroviaire entre le centre-ville et la ville de OrsquoHare qui accueille lrsquoaeacuteroport inter-national de la reacutegion Mais lrsquoune des villes les plus en avance sur la question du double numeacuterique comme outil drsquoaide agrave la deacutecision reste Singapour Initieacute en 2015 avec la volonteacute de la Ville de feacutedeacuterer lrsquoensemble de ses donneacutees autour drsquoun modegravele 3D unique Vir-tual Singapore permettra agrave terme aux utilisateurs issus de diffeacuterents secteurs de deacutevelopper des outils et des applications lieacutes agrave la ville intelligente afin de tester des hypothegraveses dans les domaines

2 Le recours aux jumeaux numeacuteriques semblent se reacutepandre en ce qui concerne les gares

Capture drsquoeacutecran du site Virtual Singapore qui propose une modeacutelisation 3D de la ville augmenteacutee drsquoinformations seacutemantiques ici des donneacutees relatives agrave la thermie

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cadre de cet exemple crsquoest que la modeacutelisation ma-theacutematique des pheacutenomegravenes physiques nrsquoest pas suffisante pour construire un modegravele parfaitement identique agrave la centrale numeacuterique Afin drsquoen ameacutelio-rer lrsquoimage EDF a eacuteteacute obligeacute drsquointeacutegrer agrave ses modegraveles des paramegravetres plus laquo humains raquo issus de lrsquoexpeacute-rience des ingeacutenieurs preacutesents dans les diffeacuterentes centrales du parc franccedilais Au final ces jumeaux nu-meacuteriques seront mis agrave disposition de lrsquoensemble des parties prenantes agrave savoir tous les acteurs impliqueacutes dans la gestion de la centrale services techniques fournisseurs sous-traitants etc

Le parc nucleacuteaire franccedilais est eacutegalement concerneacute par la probleacutematique du jumeau numeacuterique1 En ef-fet depuis 2017 et dans le cadre du programme laquo Grand Careacutenage 2014-2025 raquo qui vise agrave prolonger la dureacutee de vie des centrales nucleacuteaires EDF reacutealise une modeacutelisation des 58 reacuteacteurs qui constituent le parc nucleacuteaire franccedilais Lrsquoobjectif est multiple Le premier est drsquoobtenir une image en temps reacuteel de lrsquoeacutetat de santeacute de la centrale et des reacuteacteurs En dupliquant lrsquoensemble des caracteacuteristiques des centrales et en introduisant des paramegravetres lieacutes aux mateacuteriaux utili-seacutes (beacuteton acier etc) les ingeacutenieurs sont capables de faire vieillir artificiellement le jumeau de la centrale et drsquoen eacutevaluer les conseacutequences sur la seacutecuriteacute Le double virtuel permet eacutegalement agrave lrsquoimage du simu-lateur de vol dans lrsquoaeacuteronautique drsquoentrainer les in-geacutenieurs et de former les nouveaux salarieacutes Lrsquoeacutequipe peut ainsi ecirctre mise en situation en eacutetant exposeacutee agrave des dysfonctionnements multiples et varieacutes et ses actions auront les conseacutequences correspondant agrave celles de la reacutealiteacute Ce qui est inteacuteressant dans le 1 Tout comme les usines de traitement de deacutechets nucleacuteaires qui disposent aussi de jumeau numeacuterique

HIDDEN CITY LE PROJET DE JUMEAU NUMEacuteRIQUE DE LA VILLE DE KIRUNA EN SUEgraveDE

Kiruna est une ville situeacutee dans la partie la plus nordique de la Suegravede eacuterigeacutee directement sur lrsquoun des plus importants minerais de fer au monde Pendant de nombreuses anneacutees la mine situeacutee agrave proximiteacute de la ville a contribueacute agrave lrsquoessor de celle-ci Cependant agrave mesure que la mine prenait de lrsquoexpansion et que la fouille devenait profonde le retrait du minerai se faisait de plus en plus pregraves de la ville et les leacutegislations interdisent les activiteacutes miniegraveres agrave proximiteacute des reacutegions peupleacutees en raison des risques de deacutegradation des sols Le gouvernement sueacutedois a donc deacuteveloppeacute un plan pour deacuteplacer la ville entiegravere de 32 kilomegravetres vers lrsquoest Lors de la phase initiale de deacutelocalisation un expert de CGI agrave Kiruna a mis au point un concept novateur appeleacute Hidden City qui preacutevoit lrsquoutili-sation de la technologie de reacutealiteacute augmenteacutee HoloLens de Microsoft combineacutee agrave lrsquoeacutequipement et aux donneacutees drsquoun systegraveme drsquoinformation geacuteographique (SIG) pour dresser une carte numeacuterique et visualiser lrsquoinfrastructure souterraine Hidden CityHidden City offre agrave la ville de Kiruna une image souterraine preacutecise en preacutevision du deacutebut des travaux de reacuteparation de lrsquoinfrastructure Lors de lrsquoinstallation ou de la reacutefection des infrastructures souterraines telles que la tuyauterie et les cacircbles eacutelectriques les municipaliteacutes et les organismes gouvernementaux travaillent souvent agrave lrsquoaveuglette Lorsque disponibles les cartes repreacutesentant les infrastructures sont geacuteneacuteralement inexactes ou deacutesuegravetes Par conseacutequent ce que les travailleurs deacutecouvrent lorsqursquoils creusent sur un site ne correspond pas toujours aux dessins Cette situation entraicircne de lrsquoinsatisfaction des pertes de temps et drsquoargent des interruptions de service et une congestion routiegravere Il y a de nombreux avantages agrave geacuterer lrsquoin-frastructure souterraine avec davantage de preacutecision La solution Hidden City sera bientocirct utiliseacutee dans toute la ville de Kiruna y compris dans la vieille ville qui ne sera pas toucheacutee par le deacutemeacute-nagement La solution Hidden City lanceacutee en 2017 a eacuteteacute conccedilue par le groupe de deacuteveloppement HoloLens de CGI agrave Umearing en Suegravede

Source wwwcgicom

La ville de Kiruna en Suegravede

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ristiques Le calendrier drsquointervention est ainsi fixeacute agrave lrsquoavance et ces derniegraveres sont reacutealiseacutees mecircme si au-cune panne nrsquoest constateacutee faisant ainsi porter des coucircts eacutevitables agrave lrsquoentreprise La maintenance preacute-dictive permet drsquoeacuteviter les deux eacutecueils preacuteceacutedents En utilisant des bases de donneacutees de grande am-pleur et de la modeacutelisation algorithmique laquo la main-tenance dite ldquopreacutedictiverdquo est une maintenance preacutevi-sionnelle et conditionnelle deacuteclencheacutee en fonction de franchissement drsquoun seuil preacutedeacutefini ou sur alerte drsquoun systegraveme drsquointelligence artificielle raquo A titre drsquoexemple une alerte peut ecirctre creacuteeacutee agrave partir de lrsquoeacutevolution at-tendue drsquoun paramegravetre comme la tempeacuterature drsquoun composant En croisant plusieurs paramegravetres et en les correacutelant entre eux il est possible de preacutevoir lrsquoat-teinte drsquoun seuil critique de tempeacuterature comme le montre le scheacutema suivant

Lrsquoalerte preacutedictive permet alors agrave lrsquoeacutequipe en charge du controcircle et de la maintenance drsquoanticiper la surve-nue de lrsquoavarie et de rester en alerte lors de la peacuteriode dite de preacuteavis laquo La maintenance preacutedictive par rap-port agrave la maintenance preacuteventive permet de passer drsquoune logique de flux pousseacute agrave une logique de flux tireacute Le fournisseur nrsquointervient que lorsque des signaux eacutemis par une machine reflegravetent une panne probable agrave court terme Crsquoest donc lrsquoeacutetat reacuteel de lrsquoactif et non un calendrier theacuteorique qui deacuteclenche une intervention raquo

Pour arriver agrave ce reacutesultat il est neacutecessaire de mettre en place une strateacutegie de maintenance preacutedictive ba-seacutee sur

bull lrsquoimplantation de capteurs permettant de collec-ter des millions de donneacutees en temps reacuteels et de

5- Lrsquoimportance de lrsquoInternet des Objets dans la maintenance preacutedictive

Lrsquoun des grands enjeux auquel doit reacutepondre le ju-meau numeacuterique est celui de la maintenance Le modegravele historique est ce que lrsquoon appelle la main-tenance corrective Il srsquoagit dans ce modegravele de reacutepa-rer a posteriori agrave la suite du constat drsquoune panne ou drsquoune deacutegradation lrsquooutil la machine ou la ligne de production Ce modegravele est justifieacute lorsque les piegraveces de rechange ont un coucirct tregraves faible qursquoelles peuvent ecirctre remplaceacutees tregraves facilement et que la panne nrsquoimpacte qursquoagrave la marge lrsquoutilisateur de la machine Dans tous les autres cas de figure la maintenance corrective agrave un coucirct Selon une eacutetude du cabinet McKinsey le passage drsquoune maintenance corrective agrave une maintenance plus anticipatrice permettrait

aux entreprises drsquoeacuteconomiser 630 milliards de dollars drsquoici 2025 Plusieurs facteurs entrent en jeu une reacute-duction des coucircts de maintenance de 10 agrave 40 et la reacuteduction de moitieacute du nombre de pannes Le recours agrave la maintenance preacuteventive permettrait eacutegalement drsquoallonger la dureacutee de vie des machines reacuteduisant ain-si le montant investi dans du nouveau mateacuteriel de 3 agrave 5 par an La maintenance preacuteventive est de deux ordres une maintenance preacutevisionnelle2 qui est baseacute sur une anticipation statistique des pannes Cette anticipation est possible par lrsquoanalyse de donneacutees collecteacutees sur du mateacuteriel ayant les mecircmes caracteacute-

2 La maintenance preacutevisionnelle est selon la norme NF EN 13306 X 60-319 une laquo maintenance conditionnelle exeacutecuteacutee en suivant les preacutevisions extrapoleacutees de lrsquoanalyse et de lrsquoeacutevaluation de para-megravetres significatifs de la deacutegradation du bien raquo Source Wikipeacute-dia

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Concregravetement le recours au jumeau numeacuterique pour anticiper les pannes et reacuteduire les coucircts drsquoentretien du mateacuteriel permet au groupe Kone de suivre et preacute-dire les pannes de ses escalators et de ses ascen-seurs En installant des capteurs qui enregistrent en continu lrsquoactiviteacute des ascenseurs et en remontant lrsquoensemble de donneacutees aux techniciens ces derniers gracircce agrave un algorithme preacutedictif et agrave lrsquointelligence ar-tificielle preacutesente dans la modeacutelisation virtuelle des ascenseurs peuvent intervenir avant que la panne ne se deacuteclenche Lrsquoentreprise a choisi de srsquoappuyer sur la plateforme drsquointelligence Watson drsquoIBM Quant aux capteurs connecteacutes qui truffent ses ascenseurs ils relegravevent plus de 200 paramegravetres critiques ndash ouver-ture et fermeture des portes lumiegravere arrecirct automa-tique distance et dureacutee des courses niveau de bruit vibrations tempeacuterature pression de lrsquoair humiditeacute etc ndash transmis en temps reacuteel ThyssenKrupp eacutega-lement speacutecialiseacute dans les ascenseurs utilise eacutegale-ment le jumeau numeacuterique pour ses probleacutematiques de maintenance et de controcircle de son parc

La SNCF srsquoest lanceacutee dans lrsquoutilisation de jumeaux numeacuteriques pour agrave terme eacuteconomiser pregraves de 537 milliards de dollars agrave horizon 2020 selon Guillaume Peacutepy Crsquoest pourquoi la SNCF a deacutecideacute en 2016 de deacuteployer des capteurs IoT sur lrsquoensemble du reacuteseau SNCF (50 000 km de voies 2 200 systegravemes drsquoaiguil-lagehellip) Ce vaste plan drsquoinvestissement - pregraves de 300 millions drsquoeuros - a pour objectif de mettre en place une maintenance preacutedictive Parmi les capteurs IoT mis en place il y a celui relevant les donneacutees sur les systegravemes drsquoaiguillage des trains Il srsquoagit drsquoalerter la SNCF lorsqursquoun seuil drsquoutilisation est franchi Ce qui deacuteclenche lrsquointervention drsquoune eacutequipe pour graisser le mateacuteriel Ces capteurs reviennent dix fois moins cher qursquoune maintenance preacuteventive classique

Une eacutetude meneacutee par IoTAnalytics en 2017 recense plus de 100 entreprises technologiques qui ont im-pleacutementeacute des solutions de maintenance preacutedictive en srsquoappuyant sur lrsquoInternet Industriel des Objets (IIoT)

les stocker afin drsquoecirctre analyseacutees plus en amont et ameacuteliorer la modeacutelisation virtuelle du mateacuteriel

bull la modeacutelisation drsquoun scheacutema de panne En se ba-sant sur lrsquohistorique de fonctionnement des ma-chines au-delagrave des symptocircmes il est possible drsquoidentifier les causes racines de la panne

bull le deacuteveloppement et lrsquooptimisation drsquoalgorithmes preacutedictifs qui deacuteterminent les seuils drsquoalerte Crsquoest lrsquoapprentissage automatique ou machine lear-ning Des technologies comme Apache Mahout ou SparkMLlib sont approprieacutees pour ce cas

ESI GROUP PRINCIPAL CREacuteATEUR MONDIAL DE LOGICIELS ET SERVICES DE PROTOTYPAGE VIRTUEL

laquo Speacutecialiste en physique des mateacuteriaux ESI a deacuteveloppeacute un savoir-faire unique afin drsquoaider les industriels agrave remplacer les prototypes reacuteels par des prototypes virtuels leur permettant de fa-briquer puis de tester virtuellement leurs futurs produits et drsquoen assurer leur preacute-certification Coupleacute aux technologies de derniegravere geacuteneacuteration le Prototypage Virtuel srsquoinscrit deacutesormais dans une approche plus large du Product Performance Lifecycletrade qui adresse la performance opeacuteration-nelle du produit tout au long de son cycle de vie complet de fonctionnement du lancement au retrait La creacuteation de Jumeaux Hybrides (Hybrid Twintrade) inteacutegrant agrave la fois la simulation la phy-sique et lrsquoanalyse de donneacutees permet de creacuteer des produits intelligents notamment avec les objets connecteacutes de preacutedire leur performance et drsquoanti-ciper leurs besoins de maintenance Les solutions drsquoESI permettent aux grands donneurs drsquoordres et aux entreprises innovantes de toutes tailles de srsquoassurer que leurs produits passeront les tests de preacute-certification ndash et ce sans qursquoaucun prototype reacuteel ne soit neacutecessaire ndash les rendant plus compeacute-titifs Le Prototypage Virtuel permet aux produits industriels de devenir intelligents et autonomes accompagnant les fabricants industriels dans leur transformation numeacuterique raquo

Source wwwesi-groupcom

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pixels sont asynchrones et indeacutependants chacun se deacuteclenche seulement srsquoil deacutetecte un changement Beaucoup plus preacutecis (10 000 images par seconde) le capteur consomme moins drsquoeacutenergie et de donneacutees

6- Demain tous doteacutes drsquoun double numeacute-rique

La meacutedecine du futur promet une meacutedecine indi-vidualiseacutee personnaliseacutee gracircce agrave laquelle chaque patient disposera drsquoun traitement qui sera parfai-tement adapteacute agrave la pathologie dont il est victime Le rapprochement entre geacutenomique et numeacuterique laisse entrevoir des progregraves pheacutenomeacutenaux en ma-tiegravere de lutte contre les cancers gracircce agrave lrsquoutilisation conjointe des techniques drsquointelligence artificielle et celles relatives agrave la meilleure compreacutehension de notre geacutenome et de celui des tumeurs canceacutereuses Cependant ces progregraves permettent drsquoameacuteliorer les traitements contre les cancers mais restent dans un paradigme de meacutedecine curative Bien sucircr certaines de ces avanceacutees permettent eacutegalement drsquoanticiper de maniegravere fine la survenue de cancer ou de mala-dies graves De plus en plus et ce depuis pregraves de 20 ans on constate que lrsquounivers de la meacutedecine et de la santeacute en geacuteneacuteral srsquointeacuteresse agrave tout ce qui peut per-mettre de comprendre le fonctionnement du corps humain (depuis les cellules jusqursquoaux organes) afin

Parmi elles on retrouve les gros acteurs de lrsquoindus-trie et du numeacuterique comme IBM lrsquoAllemand SAP Siemens Microsoft ou General Electrics IBM (avec IBM Watson) et Microsoft (avec Azure) ont deacutecideacute de proposer des offres inteacutegreacutees agrave lrsquoattention des industries en misant sur le Digital Twin as a Service (DTaaS) IBM deacuteveloppe une offre intituleacutee Watson as a Service qui met agrave disposition des industries et des entreprises sa technologie drsquointelligence artifi-cielle Watson coupleacutee agrave lrsquointernet des objets (Watson IoT) IBM propose ainsi plusieurs produits Rhapsody qui permet de modeacuteliser et designer les activiteacutes des systegravemes complexes afin de reacuteduire les coucircts et drsquooptimiser le deacuteploiement Engineering Insights vir-tualise et optimise le cycle de vie du produit

Mais le futur de la maintenance preacutedictive pourrait trouver son inspiration dans lrsquounivers de la santeacute Prophesee srsquoest drsquoabord adresseacutee aux personnes en deacuteficience visuelle en proposant une reacutetine ar-tificielle capable de laquo redonner la vue aux aveugles raquo lrsquoentreprise se tourne deacutesormais vers lrsquoindustrie et plus particuliegraverement la maintenance preacutedictive gracircce agrave la neuromorphique Contrairement agrave une ca-meacutera classique qui enregistre image apregraves image la cameacutera bio-inspireacutee peut mesurer en temps reacuteel les freacutequences et amplitudes de vibration drsquoune ma-chine Agrave lrsquoinstar des cellules reacutetiniennes ses 300 000

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teacuteristiques physiques et physiologiques drsquoun organe quelconque sur une puce eacutelectronique afin de simuler le comportement de lrsquoorgane et de le soumettre agrave des eacuteveacutenements exteacuterieurs afin drsquoen eacutevaluer les conseacute-quences sur le fonctionnement de celui-ci Concregravete-ment chaque laquo organe sur puce raquo est composeacutee drsquoun polymegravere souple et transparent de la taille drsquoune cleacute usb contenant des canaux micro fluidiques bordeacutes de cellules vivantes speacutecifiques agrave un organe humain et interfaceacutees agrave un systegraveme vasculaire artificiel tapis-seacute de cellules endotheacuteliales humaines (la couche la plus interne des vaisseaux sanguins en contact direct avec le sang) Des forces meacutecaniques sont alors ap-pliqueacutees sur lrsquoenvironnement physique des organes vivants Le Wyss Institute travaille plus particuliegrave-rement sur les organes tels les poumons le foie ou encore le cerveau Ces laquo organes raquo constituent un micro-environnement ideacuteal pour eacutetudier agrave lrsquoeacutechelle moleacuteculaire ou cellulaire de nouvelles cibles theacutera-peutiques in vitro Ils peuvent eacutegalement ecirctre utili-seacutes pour cultiver un microbiome vivant pendant de longues peacuteriodes en contact direct avec des cellules intestinales humaines vivantes afin de mieux com-prendre comment ces microbes influent sur la santeacute et la maladie ou pour modeacuteliser des infections pul-monaires agrave virus grippal afin drsquoidentifier ses vulneacute-rabiliteacutes Ils permettent aussi drsquoeacutevaluer lrsquoimpact de facteurs environnementaux exteacuterieurs comme par exemple lrsquoinfluence de la fumeacutee de cigarette sur le poumon et les capaciteacutes respiratoires drsquoun non-fu-meur vivant agrave proximiteacute drsquoun fumeur en simulant lrsquoin-halation de la fumeacutee de cigarette Parmi les organes modeacuteliseacutes gracircce agrave cette technologie le cerveau figure en bonne position En effet les recherches concer-nant cet organe se heurtent au fait qursquoil est tregraves com-pliqueacute drsquoeacutetudier tregraves preacuteciseacutement les fonctions de chacune de ses parties leurs influences respectives et leur importance dans le bon fonctionnement du cerveau sur des animaux ou des personnes vivantes Aussi le recours agrave la simulation laquo sur puce raquo permet de mieux comprendre les meacutecanismes inheacuterents agrave son fonctionnement Des chercheurs du Wiss Insti-tute ont ainsi publieacute une eacutetude dans la revue Nature Biotechnology en 2018 visant agrave eacutetudier le rocircle et le fonctionnement de la barriegravere heacutemato-enceacutephalique (BHE) qui permet drsquoisoler le systegraveme nerveux central de la circulation sanguine Cependant loin drsquoecirctre une simple barriegravere physique elle interagit directement avec le cerveau reacutegulant en partie son fonctionne-ment gracircce agrave lrsquointeraction entre les microcapillaires les cellules gliales (astrocytes et peacutericytes) et les neu-rones Les approches permettant drsquoexpliquer cette interaction sont trop simplistes (meacutethode in vitro) ou trop complexes agrave reproduire (meacutethode in vivo) Les

de mieux anticiper ndash pour eacuteviter ou mieux traiter ndash la survenue de maladie ou encore la reacuteponse des ma-lades aux traitements Deux voies semblent percer lrsquoapproche laquo on chips raquo permet la reproduction phy-sique drsquoun organe dans lrsquounivers du microprocesseur et de la puce eacutelectronique lrsquoapproche in silico qui de son cocircteacute reproduit et simule le fonctionnement drsquoune cellule drsquoun organe drsquoun systegraveme par lrsquointer-meacutediaire de la programmation informatique Dans les deux cas lrsquoobjectif est de rendre compte le plus fidegravelement possible du fonctionnement drsquoun sys-tegraveme biologique

Organ on chipsOrgan on chips

Lrsquoapproche laquo on chips raquo part de lrsquoideacutee qursquoil est possible de recreacuteer sur une puce de petite taille un environ-nement moleacuteculaire et cellulaire reproduisant un or-gane vivant son fonctionnement et son rapport au systegraveme biologique dans son ensemble Le recours agrave cette approche pallie sous certaines conditions les limites de lrsquoapproche classique de la recherche meacute-dicale agrave savoir lrsquoapproche in vivo (les recherches ou les examens sont pratiqueacutes sur un organisme vivant que ce soit lrsquoecirctre humain ou des animaux cobayes) et lrsquoapproche in vitro (les recherches sont pratiqueacutees sur des cellules ou des tissus cultiveacutes dans de boicirctes de Peacutetri) pour les premiegraveres au-delagrave de la probleacutema-tique eacutethique des tests sur animaux les expeacuteriences in vivo sont couteuses la transposition des reacutesultats de lrsquoanimal agrave lrsquohomme est deacutelicate pour bon nombre de pathologies Les essais in vitro de leur cocircteacute ne permettent de mettre en eacutevidence que des reacuteactions partielles sur un micro-organisme ou un organisme sans prendre en compte les interactions entre ces organismes et le reste des cellules humaines Les reacute-sultats deviennent alors difficilement transposables agrave lrsquohomme et geacuteneacuteralisables

Le Wyss Institute drsquoHarvard est lrsquoun des acteurs ma-jeurs de la recherche sur lrsquoapplication des laquo organes sur puces raquo (organs-on-chips) Lrsquoideacutee de cette tech-nologie est de dupliquer et de miniaturiser les carac-

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de fournir des modegraveles drsquoorganes sur puces fiables mais aussi combinables de maniegravere agrave reconstituer un reacuteseau drsquoorganes sur puce monteacutes en seacuterie sur le modegravele du corps humain ce que lrsquoon peut appeler laquo body on chips raquo ou laquo corps sur puce raquo Ce faisant il sera alors possible de simuler afin drsquoeacutevaluer lrsquoen-semble des effets drsquoun traitement meacutedicamenteux particuliers sur plusieurs organes en mecircme temps ou de simuler les effets secondaires drsquoun traitement Le Wyss Institute est bien entendu agrave la pointe de la re-cherche dans ce domaine Le MIT a de son cocircteacute conccedilu une reacuteplique sur puce drsquoune partie du corps humain en assemblant 10 micropuces simulant 10 organes afin de tester lrsquoimpact drsquoun traitement sur les or-ganes non concerneacutes par ce dernier Comme lrsquoindique les auteurs les essais cliniques sur animaux sont compliqueacutes pour ce genre de tests puisque les effets sont principalement idiosyncratiques donc non geacute-neacuteralisables Par ailleurs ces modegraveles permettent aussi de tester les preacutedispositions geacuteneacutetiques face agrave un traitement ou encore de simuler la reacutesistance aux antibiotiques Avec entre un million et deux millions de cellules par organe preacuteleveacutees sur les patients les laquo organes sur puce raquo ne reproduisent que les fonctions importantes que les chercheurs veulent simuler Ce faisant les chercheurs du MIT en association avec la DARPA (lrsquoAgence ameacutericaine pour la recherche mili-taire) ont pour objectif de creacuteer ce qursquoils appellent le laquo physiome on chips raquo crsquoest-agrave-dire une reacuteplique sur puce de la physiologie de chaque patient afin de pro-poser une meacutedecine personnaliseacutee efficace et sur le long terme moins couteuse Drsquoautres chercheurs travaillent dans le mecircme sens notamment dans la lutte contre le cancer en eacutevaluant sur puce lrsquoimpact des traitements chimiotheacuterapiques sur les cellules canceacutereuses et leur environnement

Si la meacutedecine de demain nous promet drsquoavoir phy-siquement des doubles de chacun de nos organes nous permettant de visualiser leur fonctionnement et drsquoagir preacuteciseacutement sur leurs dysfonctionnements une autre approche baseacutee sur la numeacuterisation et les donneacutees explose Lrsquoapproche in silico promet une

chercheurs se sont donc tourneacutes vers une troisiegraveme voie celle de lrsquoutilisation de puces eacutelectroniques sur lesquelles ils sont venus implanter des canaux micro fluidiques Le cerveau eacutetant un organe trop com-plexe ils ont fait le choix de modeacuteliser 3 fonctions sur trois puces diffeacuterentes deux puces simulant le fonctionnement de la barriegravere heacutemato-enceacutephalique une simulant le cerveau les trois connecteacutees en seacute-rie Les 2 puces BHE sont constitueacutees drsquoun canal en-toureacute de cellules endotheacuteliales agrave travers lequel un fluide imitant le sang peut circuler une membrane poreuse seacutepare ce canal drsquoun autre parallegravele conte-nant des peacutericytes et des astrocytes et perfuseacute avec du liquide ceacutephalo-rachidien artificiel (aCSF) La laquo puce ceacutereacutebrale raquo possegravede un canal aCSF similaire une autre membrane semi-permeacuteable et enfin un com-partiment contenant des neurones et des cellules de soutien (astrocytes) il srsquoagit alors de la reproduc-tion la plus fidegravele possible du tissu ceacutereacutebral preacutesent in vivo Afin de valider scientifiquement cette repro-duction fidegravele du fonctionnement drsquoune partie du cerveau les chercheurs ont alors testeacute les reacuteponses du cerveau suite agrave lrsquoadministration de meacutetampheacute-tamines Les reacutesultats obtenus ont eacuteteacute les mecircmes que ceux observeacutes in vivo agrave savoir une alteacuteration de lrsquointeacutegriteacute de lrsquoendotheacutelium vasculaire entraicircnant le passage de moleacutecules potentiellement nocives Ces reacutesultats ouvrent des perspectives incroyables selon les auteurs en matiegravere de recherche sur la compreacute-hension du fonctionnement du cerveau et plus parti-culiegraverement sur les alteacuterations de certaines zones du cerveau et des liens de communications entre elles dues agrave la consommation de drogues

Au-delagrave de la recherche scientifique sur le sujet des start-up prennent position Ainsi EmulateBio pro-pose un systegraveme complet drsquo laquo eacutemulateur humain raquo composeacute de puces drsquoeacutequipements physiques (sous forme de modules additionnels) ainsi que drsquoapplica-tions La puce peut ecirctre configureacutee pour imiter les poumons le foie lrsquointestin les reins et le cerveau Elle peut eacutegalement ecirctre utiliseacutee comme plateforme pour eacutetudier diverses maladies Elle recreacutee le mi-croenvironnement cellulaire du corps notamment les interfaces entre les tissus le flux sanguin et les forces meacutecaniques auxquelles ils sont soumis La start-up propose eacutegalement un ensemble de proto-coles permettant drsquoutiliser sa solution de la culture cellulaire (de foie de rein de poumons) de lrsquoanalyse drsquoimage (par immunofluorescence par exemple) ou encore lrsquoanalyse drsquoeffluents (comme la quantification du glucose des triglyceacuterides du cholesteacuterol etc)

Les enjeux pour les anneacutees agrave venir sont drsquoecirctre capable

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sur un jumeau numeacuterique avant lrsquoadministration agrave un patient Lrsquoentreprise est lrsquoune des pionniegraveres dans le domaine des essais cliniques in silico et travaille notamment avec de grands groupes de lrsquoindustrie pharmaceutique lui faisant eacuteconomiser des millions de dollars Ce que propose Nova est un changement radical de paradigme dans la RampD pharmaceutique Ce nouveau paradigme srsquoincarne dans un triptyque qui vise la bonne cible (right target) pour le bon pa-tient (right patient) et qui deacutemontre sa valeur (right value) Ce qui signifie proposer des traitements beau-coup plus rapidement efficaces qui coucirctent moins chers et parfaitement adapteacutes au patient et qui font preuve drsquoefficaciteacute donc de valeur pour lrsquoindus-trie pharmaceutique et lrsquoensemble des acteurs de la santeacute Lrsquoexemple de la preacutediction de rejet lors drsquoune transplantation de poumon est en ce sens probant Le mois dernier Dassault System a reccedilu le feu vert des autoriteacutes de santeacute ameacutericaines pour le rachat de lrsquoentreprise Medidata (pour 58 milliards de dollars) speacutecialiseacutee dans lrsquoeacutedition de logiciels meacutedicaux lrsquoeacutedi-teur de logiciels et de fabrication assisteacutee par ordina-teur Par ce rachat Dassault System renforce sa posi-tion dans le secteur meacutedical (agrave travers sa plateforme 3Dexperience) notamment sur le front de la creacuteation de jumeau numeacuterique Comme le souligne le commu-niqueacute de presse publieacute suite agrave lrsquoacquisition laquo Lrsquoexper-tise clinique de Medidata et ses solutions Cloud per-mettent le deacuteveloppement et la commercialisation de theacuterapies plus intelligentes pour plus de 1 300 clients dans le monde dont des socieacuteteacutes pharmaceutiques et biotechnologiques des organismes de recherche sous contrat des centres et des sites meacutedicaux Ses solu-tions permettent drsquoaugmenter lrsquoefficaciteacute et la qualiteacute de lrsquoensemble des programmes de deacuteveloppement cli-nique en ameacuteliorant la prise de deacutecision en acceacuteleacuterant lrsquoexeacutecution et la supervision des processus en limitant le risque opeacuterationnel en reacuteduisant les coucircts et en adaptant les strateacutegies des essais cliniques Treize des quinze meacutedicaments les plus vendus en 2018 reposent sur la technologie de Medidata raquo

meacutedecine personnaliseacutee baseacutee sur lrsquoutilisation de doubles numeacuteriques du systegraveme biologique du vi-vant

In SilicoIn Silico

In silico est le terme utiliseacute par les scientifiques pour deacutecrire la modeacutelisation la simulation et la visualisa-tion des processus biologiques et meacutedicaux gracircce agrave lrsquoinformatique Lrsquoeacutemergence de la meacutedecine in silico est le reacutesultat de 20 ans drsquoavanceacutees dans le domaine des sciences informatiques appliqueacutees agrave la meacutedecine

La modeacutelisation cartographie les eacuteleacutements drsquoun systegraveme biologique la simulation cherche agrave rendre compte de maniegravere la plus fidegravele possible comment le systegraveme eacutevolue dans le temps en fonction de cer-taines stimulations et la visualisation preacutesente les preacutedictions sous forme de graphique

Plusieurs avantages

bull Permet de simuler diffeacuterents traitements pour tester des hypothegraveses de maniegravere virtuelle sans avoir recours agrave lrsquoanimal ou agrave lrsquohumain

bull Permet eacutegalement une meacutedecine plus personna-liseacutee offrant aux meacutedecins la possibiliteacute de tester des plans de traitement diffeacuterents afin de mieux les individualiser permettant un meilleur dosage des meacutedicaments

Gracircce aux quantiteacutes importants de donneacutees de santeacute collecteacutees ainsi qursquoaux progregraves en intelligence artifi-cielle (DL ML) il est possible de simuler des processus biologiques de maniegravere virtuelle comme le systegraveme circulatoire le systegraveme neuronal le systegraveme endo-crinien ou encore le systegraveme meacutetabolique A terme avec lrsquoacceacuteleacuteration des capaciteacutes informatiques et la quantiteacute toujours plus importantes de donneacutees (ainsi que la qualiteacute) il sera possible de simuler lrsquoensemble des fonctions du corps humain en un seul jumeau nu-meacuterique

Lrsquointelligence artificielle permettra eacutegalement de trouver des reacuteponses agrave la question laquo pourquoi un tel traitement fonctionne sur tel patient et pas sur tel autre raquo En modeacutelisant les particulariteacutes propres agrave chacun il sera alors possible de deacuteterminer avec preacute-cision comment un corps reacuteagit agrave un traitement mais aussi de reacuteduire les risques associeacutes au traitement Crsquoest agrave cette question que srsquoadresse NovaDiscovery socieacuteteacute lyonnaise qui a deacuteveloppeacute un outil The Ef-fect Model afin de preacutedire lrsquoefficaciteacute drsquoun meacutedica-ment ou drsquoun traitement agrave partir drsquoune simulation Photo www3dexperiencelab3dscom

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dontique sur la macircchoire drsquoune personne) lrsquounivers orthopeacutedique (et notamment la reacutealisation de pro-thegraveses et orthegraveses parfaitement adapteacutees aux pa-tients comme lrsquoest eacutegalement Digital Orthopaedics) et enfin celui de la radiologie OptimoMedical est une medtech suisse qui travaille sur la modeacutelisation indi-viduelle de lrsquoœil (jumeau numeacuterique optique) en deacute-veloppant un produit Optimeyes qui va aider les pro-fessionnels de lrsquooeil (ophtalmologistes optomegravetres chirurgiens etc) agrave opeacuterer les patients victimes de cataracte en offrant la possibiliteacute aux chirurgiens de

simuler lrsquoopeacuteration sur un jumeau numeacuterique et drsquoeacutevaluer les conseacute-quences sur lrsquoœil de chacune des actions Il peut ainsi parfai-tement controcircler les paramegravetres drsquoastig-matisme qui peuvent rendre la vision floue et inconfortable apregraves lrsquoopeacuteration

Dans le domaine on-cologique lrsquoapproche in silico permet eacutegale-ment des avanceacutees en matiegravere de compreacute-hension des cancers et de leurs eacutevolutions diffeacuterentielles selon les patients Oncosi-mulator est un projet porteacute par lrsquoUniversiteacute drsquoAthegravenes et soutenu par lrsquoUnion Europeacuteenne qui propose une plate-forme expeacuterimentale in silico ainsi qursquoun outil avanceacute drsquoaide agrave la deacutecision meacutedicale en collaboration avec plusieurs centres de recherche en Europe

et au Japon afin drsquooptimiser le traitement du cancer LrsquoOncosimulator est un logiciel inteacutegreacute qui simule la reacuteponse tumorale in vivo agrave des traitements dans un environnement drsquoessai clinique Il vise agrave soutenir la prise de deacutecision clinique pour chacun des patients pris individuellement Comme le montre le scheacute-ma suivant il srsquoagit de travailler agrave partir de sources drsquoinformations de diffeacuterents types aussi bien bio-logiques comme des preacutelegravevements et des eacutechantil-

Hummond fournit un modegravele de la physiologie hu-maine depuis les organes entiers jusqursquoaux moleacutecules individuelles Il comporte plus de 1 500 eacutequations et 6 500 variables telles que les fluides corporels la cir-culation les eacutelectrolytes les hormones le meacutetabo-lisme et la tempeacuterature de la peau HumMod a pour but de simuler le fonctionnement de la physiologie humaine et preacutetend ecirctre le modegravele matheacutematique de la physiologie humaine le plus sophistiqueacute jamais creacuteeacute Voici une liste des projets en cours utilisant le simulateur Just Physiology Parmi eux nous pou-vons par exemple re-tenir le projet intituleacute laquo Mechanisms of Blood Pressure Salt Sensiti-vity New Insights from Mathematical Mo-deling raquo qui utilise la plateforme HumMod pour modeacuteliser les meacute-canismes de sensibili-teacute au sel sur certaines maladies chroniques (comme les maladies cardiaques) Pour les chercheurs la modeacuteli-sation matheacutematique et le recours au jumeau numeacuterique proposeacute par HumMod permet drsquointroduire certains dysfonctionnements notamment des reins que les eacutetudes expeacute-rimentales ne per-mettent pas

Anatoscope est une entreprise technolo-gique montpellieacuteraine speacutecialiseacutee dans la reacute-alisation de jumeaux numeacuteriques cleacutes en main permettant aux praticiens de simuler sur un avatar numeacuterique de leur patient les effets de meacutedicaments de mouvements particuliers de protocoles de soins etc Lrsquoobjectif est de permettre aux meacutedecins de simuler des traitements (meacutedica-menteux ou physiques) afin drsquoanticiper leurs effets avant de les proposer aux malades Anatoscope est speacutecialiseacutee dans la reacutealisation drsquoavatars numeacuteriques concernant la face et la dentition (il est par exemple possible de modeacuteliser les effets drsquoun appareil ortho-

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et aux oncologues un outil (Art-Plan Annotate) de derniegravere geacuteneacuteration qui est capable en temps reacuteel de creacuteer un jumeau numeacuterique drsquoun patient et de sa tumeur Il permet alors de reacutealiser des radiotheacutera-pies individualiseacutees agrave la voleacutee La prouesse de cette solution est par lrsquointermeacutediaire de la modeacutelisation numeacuterique de proposer une approche holistique du traitement des cancers liant les niveaux macro (le pa-tient) micro (la tumeur) et nano (les moleacutecules)

On retrouve lrsquoapproche in silico dans lrsquounivers de la prothegravese PrediSurge est une startup franccedilaise issue de la recherche et de la collaboration entre le CHU de Saint-Etienne et des chercheurs de lrsquoEcole des Mines creacuteeacutee en 2017 dont lrsquoobjectif est drsquoaider les chirurgiens lors des implantations de stents dans les aortes de cœurs malades Aujourdrsquohui le chirurgien pour implanter une endoprothegravese aortique doit reacutea-liser des mesures laquo agrave lrsquoœil raquo sur des images issues de scanners et en fonction de son expeacuterience preacutevoir le comportement du stent dans lrsquoaorte Demain gracircce agrave lrsquoutilisation de jumeaux numeacuteriques de lrsquoaorte et du stent il pourra simuler agrave partir drsquoune programmation algorithmique qui inteacutegrera des donneacutees relatives au patient notamment via agrave une cartographie 3D de son cœur mais aussi des donneacutees cliniques et meacutedi-cales permettant de visualiser avant lrsquointervention la zone agrave opeacuterer et anticiper les modifications de lrsquoaorte pendant lrsquoacte chirurgical Toujours dans lrsquounivers de la cardiologie Siemens Healthineers a reacutecemment deacuteveloppeacute un laquo Digital Twin raquo de cœur en collabora-tion avec le CHU de Bordeaux En mettant au point des algorithmes pousseacutes Siemens Healthineers a pu mettre au point un outil de resynchronisation cardiaque Sur la base de donneacutees anatomiques et fonctionnelles du patient issues de lrsquoimagerie par reacutesonance magneacutetique de lrsquoeacutelectrocardiogramme de lrsquoeacutechographie cette solution permet de repreacutesen-ter numeacuteriquement le cœur du patient En amont de lrsquoopeacuteration le meacutedecin peut ainsi simuler virtuelle-ment le traitement theacuterapeutique afin de planifier lrsquoexamen avec une plus grande preacutecision et choisir lrsquooption la plus beacuteneacutefique pour le patient Crsquoest eacutegale-ment lrsquoobjet de la start-up bordelaise InHeart qui pro-pose aux chirurgiens des modeacutelisations 3D du cœur de leurs patients en tregraves haute deacutefinition et avec une parfaite fideacuteliteacute permettant ainsi au praticien de connaicirctre agrave lrsquoavance la structure du cœur sur lequel il va devoir intervenir LrsquoUniversiteacute Johns-Hopkins de Baltimore a publieacute en aoucirct une eacutetude sur les poten-tiels que repreacutesente le jumeau numeacuterique drsquoun cœur de malade victime de fibrillation auriculaire Une des techniques utiliseacutees pour soigner cette maladie consiste en une ablation par catheacuteter des tissus deacute-

lons de tissus du patient que numeacuteriques comme des informations sur son passeacute meacutedical ses donneacutees de santeacute ainsi que des donneacutees issues des images de radiologie ou drsquoIRM Apregraves 7 grandes eacutetapes les meacutedecins seront en mesure de proposer au patient un traitement parfaitement adapteacute agrave leur cancer3 reacute-duisant ainsi les effets secondaires les erreurs meacutedi-cales et les souffrances des malades Les Franccedilais de la socieacuteteacute TheraPanacea incubeacutee dans la peacutepiniegravere de lrsquoHocircpital Cochin agrave Paris utilisent eacutegalement la si-mulation numeacuterique dans les protocoles de radiotheacute-rapie En faisant converger les derniegraveres avanceacutees en matiegravere de geacutenomique drsquoinformatique (intelligence artificielle par Machine Learning et Deep Learning) de biologie computationnelle et de big data4 lrsquoeacutequipe du Professeur Paragios offre aux radiotheacuterapeutes

3 Trois cancers sont concerneacutes le neacutephroblastome le cancer du sein et la leuceacutemie lymphoblastique aigueuml4 Certains militent mecircme pour lrsquoutilisation de la technologie blockchain pour seacutecuriser et fiabiliser les donneacutees Selon une eacutetude publieacutee dans Nature en 2016 75 des scientifiques nrsquoar-rivent pas agrave reproduire les expeacuterimentations drsquoautres chercheurs et 50 drsquoentre eux nrsquoarrivent pas agrave reproduire leurs propres ex-peacuteriences faute de fiabiliteacute dans les donneacutees et les protocoles Mixer approches in silico et blockchain permettrait de surmonter cette laquo crise de reproductibiliteacute raquo essentielle dans lrsquounivers de la recherche meacutedicale

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du cerveau et des reacuteseaux de neurones permettant de comprendre leur fonctionnement et appreacutehender au mieux les maladies neuro-deacutegeacuteneacuteratives et neuro-logiques Lrsquoun des projets embleacutematiques est le Hu-man Brain Project projet drsquoenvergure europeacuteen (il est lrsquoun des deux reacutecipiendaires du FET Flagships soute-nu par lrsquoUnion Europeacuteenne) qui vise agrave creacuteer de nou-veaux outils permettant une meilleure connaissance du cerveau et de son fonctionnement Pour cela le consortium de chercheurs mise sur lrsquoinformatique la bio-informatique et sa puissance (notamment via de superordinateurs) afin drsquoassembler les donneacutees neu-roscientifiques du monde entier au sein drsquoun modegravele et de simulations du cerveau humain Le projet vise agrave creacuteer une interface entre lrsquoinformation geacuteneacutetique les reacuteactions moleacuteculaires la biologie et les meacutecanismes de la penseacutee Parmi les maladies viseacutees lrsquoeacutepilepsie Le projet Virtual Brain du professeur Jirsa directeur de lrsquoInstitut des Neurosciences des Systegravemes agrave la

Timone (In-s e r m A i x - M a r -seille Uni-v e r s i t eacute ) vient drsquoecirctre lanceacute dans 12 hocircpitaux test Lrsquoessai clinique qui durera en tout 4 ans vise agrave tester un logiciel de s imulat ion du cerveau humain en neurochirur-gie de lrsquoeacutepi-lepsie En

creacuteant un jumeau numeacuterique pour environ 400 pa-tients victimes de cette maladie les chercheurs et les meacutedecins vont pouvoir simuler la dynamique des ondes ceacutereacutebrales dans lrsquointeacutegraliteacute du cerveau des patients apregraves et avant la crise drsquoeacutepilepsie Diffeacute-rentes hypothegraveses vont pouvoir ecirctre testeacutees afin de circonscrire la zone opeacuterable et eacutevaluer si lrsquoopeacuteration sera beacuteneacutefique au patient

fectueux Un ou plusieurs catheacuteters sont inseacutereacutes dans les vaisseaux sanguins afin drsquoeacutetudier les irreacutegulariteacutes des battements puis de deacutetruire les tissus incrimineacutes par radiofreacutequences Cette meacutethode provoque laquosou-vent plusieurs eacutechecs chez les patients atteints de fibrillation auriculaireraquo Les chercheurs ont donc creacuteeacute un cœur virtuel en mesure de reproduire les signaux eacutelectriques envoyeacutes par les oreillettes qui sont agrave lrsquoori-gine des battements irreacuteguliers et drsquoen identifier les origines et leurs caracteacuteristiques car ces irreacutegulariteacutes se laquo deacuteplacent raquo de tissus en tissus Le recours au ju-meau numeacuterique permet de reproduire les anomalies des battements et de preacutedire les deacuteplacements des anomalies Le chirurgien va alors pouvoir les deacutetruire virtuellement avant de reproduire cette destruction sur le cœur du patient Nurea deacuteveloppe une solution ineacutedite en meacutedecine des logiciels drsquoaide agrave la deacutecision et de personnalisation drsquoimplants pour la chirurgie cardiovasculaire et thoracique (ex endoprothegraveses a o r t i q u e s i m p l a n t s de tracheacutee etc) Gracircce agrave une intel-ligence arti-ficielle cou-pleacutee agrave des reacuteseaux de m o d eacute l i s a -tion numeacute-rique et du traitement d rsquo i m a g e s meacutedica les Nurea reacutea-lise des car-tographies du systegraveme vasculaire diffeacuterentes informations sont ainsi fournies de ma-niegravere automatique aux chirurgiens agrave partir des scan-ners lui permettant de fiabiliser son diagnostic et sa deacutecision drsquoopeacuterer ou non comme dans le cas drsquoaneacute-vrismes aortiques

Autre domaine qui investit massivement lrsquoapproche in silico la neurologie En effet le cerveau est lrsquoun des sujets qui attise le plus de recherches scienti-fiques et ce gracircce notamment agrave lrsquointersection de plus en plus forte entre les neurosciences et lrsquoinfor-matique La neuroinformatique a pour objectif de mobiliser les outils et derniegraveres innovations informa-tiques et les connaissances de plus en plus pointues des neurosciences afin de cartographier lrsquoensemble

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Ce jumeau permettra eacutegalement agrave des personnes tierces drsquointervenir rapidement en cas drsquoaccident par lrsquoidentification de lrsquoensemble de nos caracteacuteristiques Coupleacutees au Dossier Meacutedical Partageacute (lrsquoensemble de nos donneacutees de santeacute et drsquoanteacuteceacutedents) le jumeau numeacuterique pourrait permettre de sauver des vies

Drsquoun point de vue plus global lrsquoexistence de jumeaux numeacuteriques dans quasiment tous les secteurs de la vie quotidienne permettra agrave chacun drsquoentre nous de prendre des deacutecisions de maniegravere plus eacuteclaireacutee et donc plus efficace En reacuteduisant le risque drsquoerreur nous rendrons notre quotidien plus sucircr moins sou-mis aux aleacuteas En revanche cette digitalisation du quotidien depuis lrsquoenvironnement dans lequel nous vivons jusqursquoagrave nos donneacutees les plus intimes doit ecirctre accompagneacutee de garde-fous Avec les offres propo-seacutees par les geacuteants drsquointernet (IBM et Microsoft et leurs solutions DTaaS) les GAFAM deacutetiendront de-main en plus des donneacutees qursquoelles collectent sur le web et qursquoelles enregistrent in real life1 des informa-tions qualifieacutees parfaitement identiques agrave la reacutealiteacute Une entreprise qui utilise ces services pour digitaliser une usine ou une chaine logistique prend le risque de voir ses donneacutees utiliseacutees agrave drsquoautres fins qursquoagrave celles preacutevues initialement La lecture des Conditions Geacute-neacuterales drsquoUtilisation comme des clauses relatives agrave la proprieacuteteacute et agrave lrsquoutilisation des donneacutees deviendra un passage obligeacute que nous ne pourrons plus nous permettre de valider agrave lrsquoaveugle

1 Gracircce aux objets connecteacutes et aux enceintes intelligentes

CONCLUSION

Selon Gartner le Digital Twin serait pleinement dans la phase des laquo peak of inflated expectations raquo crsquoest-agrave-dire agrave un moment de son Histoire technologique ougrave les attentes et espoirs fondeacutes dans cette technolo-gie se traduisent par une offre tregraves importante (de nombreuses entreprises ou start-up offrant des so-lutions dans de nombreux secteurs drsquoactiviteacute) et par une surmeacutediatisation des initiatives Selon Gartner toujours les jumeaux numeacuteriques devraient mettre entre 5 et 10 ans pour atteindre le fameux laquo plateau de productiviteacute raquo crsquoest-agrave-dire la phase de maturiteacute technologique celle associeacutee agrave des applications qui ont trouveacute leur marcheacute (qursquoil soit de niche ou grand public) Parce que les promesses du jumeau numeacute-rique sont grandes

bull Eacutevaluation des capaciteacutes actuelles et futures drsquoun systegraveme au cours de son cycle de vie

bull Deacutecouverte preacutecoce des deacuteficiences de perfor-mance du systegraveme Pour ce faire les opeacuterateurs procegravedent agrave une simulation des reacutesultats avant que les processus physiques et les produits ne soient deacuteveloppeacutes

bull Optimisation du fonctionnement de la fabrica-tion des inspections et par effet de levier de la dureacutee de vie

bull Ameacutelioration continue des designs et des mo-degraveles gracircce aux donneacutees collecteacutees

Quel que soit le secteur drsquoactiviteacute dans lequel est mise en place cette technologie ce sont ces pro-messes qui permettent drsquoenvisager lrsquoavenir du ju-meau numeacuterique sereinement Toutefois mecircme srsquoil est raisonnable drsquoenvisager une forte baisse des coucircts de reacutealisation puis de maintenance du jumeau numeacuterique le prix agrave payer pour avoir son propre double numeacuterique reste eacuteleveacute En effet la mise en œuvre drsquoun jumeau numeacuterique neacutecessite des moyens humains et financiers non neacutegligeables Il faut dispo-ser drsquoeacutequipes organiseacutees et convaincues mais aussi et surtout de donneacutees de tregraves bonne qualiteacute sous peine de transformer un projet de jumeau numeacuterique en mutant numeacuterique

Demain ou apregraves-demain nous vivrons sans doute dans un monde ultra-digitaliseacute Nous transporterons sur nos terminaux numeacuteriques mobiles notre propre jumeau numeacuterique composeacute de millions de donneacutees personnelles agrave la fois physiques mais aussi psycholo-giques qui nous permettra par exemple de simuler lrsquoimpact drsquoune deacutecision sur notre bien-ecirctre (physique et psychique) avant de la prendre deacutefinitivement

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