Un “jumeau numérique” est une réplique virtuelle d’un objet, d’un processus ou d’un système. Cette technologie a déjà révolutionné de nombreux secteurs, comme l’industrie et l’ingénierie, ou bien la médecine. Elle est devenue un concept clé dans le développement des smart cities. En effet, l’accès à de multiples données en temps réel permet une innovation continue, une prise de décision quantifiable et des économies (argent, eau, énergie…) pouvant atteindre plusieurs milliards par an. Tout cela commence avec des données ultra-précises et très détaillées !
Jumeau numérique vs modèle 3D
Un jumeau numérique n’est pas seulement un modèle 3D ultra-précis. La différence entre les deux est le flux bidirectionnel de données entre le monde physique et le monde numérique. Cette synchronisation des données permet au jumeau numérique d’être mis à jour continuellement et en temps réel, ce qui en fait un outil efficace pour exécuter des simulations virtuelles et planifier différents scénarios.
Comme défini dans l’étude “Digital Twin : Origin to Future », un jumeau numérique présente les caractéristiques suivantes :
- Une précision ultra-haute de l’objet physique, souvent construite à partir de plusieurs sources de données. Plus le niveau de détail est élevé, plus le jumeau numérique peut être utilisé comme un outil efficace et fiable. Ainsi, les villes intelligentes (smart cities) peuvent obtenir des données sur les infrastructures, la circulation des véhicules, la pollution et la démographie.
- Une cartographie dynamique et bidirectionnelle entre le monde physique et numérique. Un jumeau numérique est un modèle vivant, essentiellement en 3D. Il doit donc prendre en compte des données en temps réel ainsi que l’historique de ces données.
- Auto-évolutif et auto-adaptatif. Le monde réel ne cesse d’évoluer, et le jumeau numérique aussi. Il doit donc s’auto-optimiser à l’aide de nouvelles sources de données collectées dans le monde réel.
Le jumeau numérique, une technologie essentielle pour les smart cities
Des villes du monde entier ont commencé à explorer la technologie du jumeau numérique pour développer des applications telles que :
Aménagement urbain
La simulation de scénarios “Et si ?” sur des jumeaux numériques permet aux urbanistes d’évaluer l’impact de nouvelles infrastructures, facilitant ainsi le processus de prise de décision. Par exemple, les chercheurs peuvent simuler l’impact de la construction de nouvelles pistes cyclables sur la sécurité des cyclistes, la fluidité du trafic, le stationnement sur les trottoirs et même la pollution atmosphérique. Ainsi, à l’aide d’un jumeau numérique, il est possible d’optimiser la sécurité, l’accessibilité, le coût et bien d’autres facteurs.
Gestion du trafic, y compris l’intégration de véhicules connectés et autonomes
Comme l’aménagement urbain, les jumeaux numériques peuvent être utilisés pour simuler le trafic. En combinant les modèles de jumeaux numériques avec les données en temps réel, les opérateurs de la circulation peuvent améliorer la sécurité et la fluidité de la circulation. De plus, avec l’arrivée des véhicules connectés et autonomes, les chercheurs peuvent effectuer des simulations pour mieux comprendre l’impact de ces véhicules sur le trafic et tester les différentes fonctionnalités de la technologie V2X (Vehicle-to-Everything, ou la “Communication de véhicule avec tout”).
Surveillance d’infrastructures (routes, ponts et autres infrastructures)
Des algorithmes peuvent analyser l’état et l’usure des infrastructures en temps réel et alerter les ingénieurs de problèmes potentiels (actuels ou futurs). Ils peuvent également prédire comment ces infrastructures résisteront aux différentes conditions météorologiques, au trafic, aux vibrations et à d’autres contraintes environnementales.
Ces mesures d’entretien proactives permettront un bien meilleur maintien des infrastructures dans le temps et une économie de plusieurs milliards de dollars. Selon un rapport, le coût de l’entretien différé des infrastructures américaines est estimé à plus de 1 000 milliards de dollars (l’entretien différé représente le coût accumulé de « l’entretien reporté » – c’est-à-dire le retard dans les travaux dû à la remise à plus tard de l’entretien et des réparations courantes).
D’autres applications incluent la surveillance des catastrophes naturelles, des réseaux intelligents, etc.
Ce ne sont là que quelques exemples de la façon dont la technologie des jumeaux numériques peut être utilisée pour accélérer la mise en place de ville intelligentes, qui, sur le long terme, permettrait de réaliser des économies substantielles.
Pionniers : l’université RWTH et la ville d’Aachen (Allemagne) développent des jumeaux numériques pour la simulation V2X en utilisant des LiDAR Ouster
Plus grand projet d’infrastructure d’Europe basé autour du LiDAR Ouster, ce programme consiste à préparer la ville de Aachen à l’arrivée de véhicules autonomes, en construisant une infrastructure connectée qui appréhende le trafic de tous les usagers de la route. Ce projet est financé par le ministère fédéral allemand des transports et de l’infrastructure numérique et des acteurs privés comme Ford Mobility ou Vodafone.
Pour la réalisation de ce projet, les chercheurs de l’université RWTH de Aachen avaient besoin de données précises et détaillées sur les infrastructures, ainsi que sur tous les usagers de la route et de leurs habitudes de déplacement (données anonymes et confidentielles). Afin de collecter toutes ces données de manière précise et sans faille, ils se sont tournés vers les LiDAR Ouster.
Phase 1 : Collecte anonyme des données du jumeau numérique à l’aide du LiDAR Ouster
Les chercheurs de l’université RWTH d’Aachen ont d’abord dû développer le jumeau numérique de l’infrastructure : données haute résolution, comportement des usagers et déplacement des véhicules. Ils ont pu ensuite développer et tester des véhicules autonomes et des simulations V2X sur ce jumeau numérique. En rassemblant plus de 100 LiDAR OS1 Ouster et plus de 200 caméras, les chercheurs ont construit 60 stations de mesures, en bord de route, sur un tronçon de 4,3 km.
Crédit photo : ©Ouster
Pièce essentielle du système de détection, le LiDAR OS1 Ouster augmente la résolution des caméras en cas de faible luminosité ou de mauvais temps. Ce LiDAR haute résolution fournit des données précises sur la position et l’emplacement des objets, au millimètre près. Avec un indice de protection de IP69K et IP68, les LiDAR Ouster résistent aux intempéries et aux différentes conditions météorologiques et environnementales (vibrations, poussière).
Contrairement aux caméras qui doivent utiliser la vision par ordinateur pour calculer les distances et le positionnement des objets, le LiDAR fournit directement des mesures ultra-précises. Cette précision peut faire la différence en termes de sécurité routière, par exemple.
Les données haute résolution du OS1 128 canaux de Ouster permettent également une plus grande portée de détection. En effet, il améliore la précision de la classification des objets en fournissant plus de nuages de points. Les chercheurs peuvent alors utiliser ces données pour développer des algorithmes qui reconnaissent et classent les voitures, les camions, les piétons, les deux-roues etc.
En août 2021, les chercheurs ont déployé 46 stations de mesure sur un tronçon de 2,4 km (rues et intersections). Ils ont ensuite déployé ces stations de mesure sur des zones rurales et des autoroutes. En créant un jumeau numérique s’étendant sur diverses zones de Aachen, les chercheurs ont pu capturer des objets, de manière ultra-précise, quel que soit le type de terrain et les conditions météorologiques.
Phase 2 : Développer et tester des simulations V2X sur le jumeau numérique
La 2ème phase du projet a été de créer une infrastructure connectée qui intègre, en toute sécurité, les véhicules autonomes et connectés au sein d’un trafic mixte.
Dans ce projet, le jumeau numérique de Aachen est utilisé à trois fins principales :
- Communication en temps réel. Muni de capteurs embarqués, les véhicules d’essai autonomes reçoivent des informations routières du jumeau numérique avant même de les « voir ». Grâce à cette anticipation, les véhicules ont suffisamment de temps pour réagir et adapter leur style de conduite en conséquence.
- Simulation de véhicules connectés et autonomes. Le jumeau numérique étant une représentation réelle et dynamique de l’environnement, les chercheurs peuvent faire des tests sur les véhicules autonomes et analyser leur impact sur les autres usagers de la route, mais aussi sur l’environnement.
- Planification et analyse à long terme. Les données des jumeaux numériques sont stockées dans une base de données centrale. Elles sont utilisées pour analyser le comportement des usagers de la route et les schémas de déplacement, dans le but de planifier, à long terme, des applications pour les véhicules autonomes.
280 milliards de dollars d’économies d’ici 2030
S’il reste encore beaucoup à explorer sur les jumeaux numériques dans le domaine des smart cities, une chose est sûre : cette technologie jouera un rôle important dans les années à venir.
Selon ABI Research, la technologie des jumeaux numériques pourrait aider les villes à réaliser des économies collectives de 280 milliards de dollars d’ici à 2030, grâce à une planification urbaine plus efficace et à une maintenance proactive. D’ici 2025, plus de 500 villes dans le monde utiliseront la technologie des jumeaux numériques (ou équivalent).
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