Parole d'experts

Le jumeau numérique, équation gagnante pour l’industrie nucléaire

Digital Nucléaire

Avancée majeure de l’industrie 4.0, le concept de jumeau numérique (ou digital twin) permet de relever les défis du développement des systèmes complexes, en optimisant les coûts, la productivité et en améliorant la sécurité. Retour sur sa définition, ses cas d’usages et clés de succès.

Le jumeau numérique, un outil au service d’un enjeu majeur, et un atout pour la filière nucléaire à l’heure du plan de relance du nucléaire français

La maîtrise des données est un enjeu majeur et le jumeau numérique n’est plus l’apanage des grands groupes. Aujourd’hui, forts des premiers retours d’expérience, de plus en plus d’acteurs du milieu industriel s’en emparent, avec un double objectif : conjuguer optimisation des performances et réduction des risques.

Utilisé initialement dans l’aéronautique et l’automobile, le jumeau numérique peut être défini comme la réplique numérique d’un « système » complexe (une installation actuelle ou future, un process, un équipement, …). Schématiquement, il peut s’apparenter à un répertoire organisé de données (techniques, de conception, de gestion de projet) liées à ce « système ». Il existe plusieurs sortes de jumeaux numériques :

  • Statique: jumeau numérique visant uniquement à la centralisation, représentation et consultation des données, dans certains cas liés à des maquettes numériques 3D ;
  • Dynamique qui couple le modèle numérique (souvent issu de la maquette 3D) et les données collectées en temps réel par le biais de capteurs posés sur l’installation physique ;
  • De simulation qui modélise le fonctionnement et les contraintes physiques appliquées à un environnement.

Grâce à la simulation, les données récoltées sur l’évolution du « système » tout au long de son cycle de vie (réel et ou virtuel) permettent de créer des scénarios multiples qui aident à comprendre la dynamique de fonctionnement et éclairent la prise de décision.

La maîtrise des données est un enjeu crucial pour assurer en particulier la réussite des phases de construction des nouveaux programmes nucléaire car les étapes entre la décision d’engagement d’un projet nucléaire, le début effectif des travaux de construction, puis la production d’électricité sont nombreuses et engagent les acteurs sur de longues durées. Elles nécessitent donc de maîtriser des volumes massifs de données évolutives depuis les phases d’études jusqu’à la mise en service sur une durée de 10 à 15 ans.

Les bénéfices apportés par les jumeaux numériques sont nombreux : notamment, un accès et une visualisation facilités des données ; une priorisation des investissements en croisant les données historiques, les données captées et l’expertise humaine ; une plus grande anticipation et un accroissement des performances grâce à la simulation des opérations de maintenance ; une optimisation de l’exploitation grâce à la simulation de scénarios d’arrêts de tranches par exemple.

A travers différents projets menés ces dernières années, les équipes Assystem ont pu recenser quelques cas d’usage récurrents :

  • Faciliter l’accès aux données, renforcer la qualité et l’intégrité des informations : par exemple, dans le cadre du Soutien aux Installations et Travaux de Jouvence du CEA à Marcoule, la structuration de l’information au sein d’un jumeau numérique a permis d’assurer une continuité dans le cycle de vie des données (de leur source, au plus près du terrain, à leur exploitation), avec à la clé une fiabilité renforcée et un gain de temps, notamment dans l’exploitation des visites de chantier pour détecter les anomalies et les écarts. Il s’agit là d’un exemple de Jumeau Numérique Statique, mais en forte interconnexion avec le terrain via les formulaires dématérialisés.
  • Identifier les problématiques à venir, par exemple un conflit d’espace, dans le cadre des solutions 4D, qui permettent d’ajouter à une vision 3D la représentation du séquencement des futurs travaux sur une installation. Une telle démarche a par exemple été adoptée dans le cas d’un projet de représentation 3D du séquencement de l’installation des équipements pour des systèmes spécifiques d’un projet nucléaire, en vue de consolider la séquence d’essais.
  • Aider à établir des calculs dans le but d’optimiser la maintenance prédictive ou le fonctionnement réel d’une installation, en anticipant les effets d’un phénomène ou d’un incident. C’est le cas sur une usine de production de médicaments où la dispersion des particules dans un espace donné, à partir d’un postulat de rupture, a été modélisée pour savoir quand et à quelle puissance déclencher la ventilation.
  • Améliorer la conduite du projet en partageant mieux les informations. En amont des opérations de démantèlement, par exemple pour le réacteur nucléaire de Fessenheim, le recours à des technologies automatisées de modélisation BIM couplé aux nuages de points du bâtiment a permis de réaliser un jumeau numérique statique. L’exploitation de ces données en simulation permet entre autres de préparer les opérations de démantèlement à venir avec l’ensemble des équipes impliquées.

Ainsi, en centralisant et modélisant l’ensemble des données d’un projet, le jumeau numérique permet de mieux maîtriser la complexité de ces projets, de répondre aux différents enjeux économiques, réglementaires et de sécurité. Il assure une meilleure maitrise, traçabilité et valorisation de ces grands volumes de données disponibles afin d’optimiser la construction puis l’exploitation des centrales nucléaires, jusqu’au démantèlement.

Définir le besoin, un point clé de la démarche

Le jumeau numérique est souvent abordé par le seul biais de la faisabilité technique, ce qui rend la démarche peu opérante.

Pour Assystem la question essentielle à laquelle il faut répondre n’est pas tant celle de la technologie – il y a aura toujours une solution appropriée sur le marché – mais celle de l’usage et du besoin : à quoi va servir le jumeau numérique ? Cette étape d’expression de besoin est cruciale pour extraire les informations et données utiles, qui conditionneront alors les technologies à mobiliser. Elle est l’assurance d’avoir un projet à la fois moins complexe à gérer, mieux ciblé et moins coûteux sur les plans économique et environnemental.

L’approche doit tenir en trois points : un cap clair, partagé par tous ; une gouvernance forte capable de mettre en œuvre ce cap ; des moyens matériels et humains suffisants pour le conduire à son terme. Entre la réflexion préliminaire, les spécifications, le développement des outils et la conduite de changement, il faut en effet prévoir un accompagnement dans la durée.

Un tel projet ne se résume pas au développement et aux outils : il nécessite du temps en amont pour définir la stratégie (ce qui est attendu, quelles entités et quels processus impliqués ?) et en fin de déploiement, pour accompagner les utilisateurs dans le changement et identifier les éventuels points de blocage. Le pragmatisme et la vigilance, en particulier au démarrage et à la toute fin du projet, sont les maîtres-mots pour réussir la transition

Ingénierie couplée au digital : une plus-value pour répondre aux besoins actuels

Fortes de leur double compétence (une maîtrise des projets d’ingénierie complexes renforcée ces dernières années par une expertise dans le digital), de leur indépendance à l’égard des technologies et de leur connaissance profonde des clients, les équipes d’Assystem sont à même d’intervenir sur tout ou partie de la démarche de construction de jumeau numérique : dès l’amont pour aider à définir la problématique, puis en soutien de la mise en œuvre, et en accompagnement du déploiement.

S’appuyant sur toute la palette de technologies digitales (MBSE, PLM, BIM, GMAO, rétro-ingénierie, scan 3D et modélisation 3D…), Assystem développe des méthodes et solutions pour accélérer et répondre à la grande diversité des besoins.

Les jumeaux numériques ne sont jamais des outils « prêts à déployer sur étagère » : ils se conçoivent en fonction des besoins de chaque projet et nécessitent une très bonne connaissance de l’environnement, des process et métiers des industries. Ces missions d’accompagnement stratégique et opérationnel sont au cœur de la valeur ajoutée d’Assystem.

Investir dans des projets d’avenir

Assystem développe ou collabore à la construction de jumeaux numériques sur différents types de projets industriels complexes innovants, contribuant à l’avenir de l’énergie décarbonée. Le point commun à tous ces projets : des programmes de forte criticité, avec des exigences très poussées en termes de fiabilité, sûreté, etc. Voici quelques exemples sur lesquels les experts Assystem travaillent sur des jumeaux numériques :

  • Grid Modeling [Jumeau Numérique Statique]

A partir d’un corpus documentaire papier siloté, Assystem a développé et mis en œuvre une base de données et un modèle optimisé du réseau électrique ouzbek. Ce modèle permet d’accéder directement à un ensemble de données techniques descriptives des installations composant le réseau, et aussi d’orienter l’opérateur vers la documentation sous-jacente pour laquelle une structure de moteur de recherche a été automatiquement définie et mise en place.

  • ESTRADE/Démologist [Jumeau Numérique de simulation]

Fort de son expertise dans les métiers de l’ingénierie, Assystem a modélisé une installation nucléaire via un jumeau numérique destiné à simuler des scénarios pour son démantèlement. Développé comme un véritable outil de gestion des connaissances, il va permettre de simuler certaines parties du procédé de démantèlement, d’obtenir de façon automatisée et optimisée des estimatifs afin de gérer au mieux la configuration de l’installation tout au long de son démantèlement.

  • Modélisation en support à la Fusion – UKAEA [Jumeau Numérique de Simulation et Dynamique]

Dans le cadre de l’industrie de la fusion nucléaire, Assystem a proposé une approche permettant d’exploiter les modèles d’ingénierie existants en les connectant aux données de l’usine et de l’environnement via une plateforme IIOT* afin d’analyser le risque opérationnel et de le comparer aux hypothèses de conception pour accélérer le processus de conception. Parallèlement, une autre approche vise à permettre l’initialisation des études probabilistes et de sûreté de fonctionnement par le biais également de la modélisation de l’ingénierie existante.

  • XSMR [Jumeau Numérique de Simulation]

Imaginé par la start-up Naarea, ce concept de micro-réacteur nucléaire innovant à base de sels fondus, qui fonctionnera comme un générateur, sera d’abord modélisé sous la forme d’un jumeau numérique, avant d’être prototypé. Ce simulateur va permettre d’évaluer le comportement du réacteur et d’optimiser son fonctionnement.

  • CONNEXITY [Jumeau Numérique Dynamique]

Le laboratoire ConnexLab d’EDF pilote des projets R&D destinés à penser la filière nucléaire de demain en s’appuyant sur la transformation numérique. Il réunit régulièrement ses partenaires (dont Assystem) pour mutualiser leurs moyens R&D. Le laboratoire a par exemple développé le démonstrateur d’une application mobile de type « Waze » (destinée à aider les opérateurs à se diriger dans l’environnement complexe des centrales nucléaires en indiquant les zones de travaux et de risques) qui a abouti à la création d’une preuve de concept particulièrement convaincante et fait l’objet d’essais en environnement industriel réel.

Le jumeau numérique est une façon d’adresser la complexité d’un projet. En réalité, on fait référence au jumeau numérique dès que l’on parle de gestion organisée de la donnée pour une fonctionnalité précise. Il est possible de faire des déploiements simples, agiles, sous réserve que les besoins soient bien exprimés.

Victor Richet, Head of digital – Inde

Le marché du jumeau numérique et les besoins ne cessent de croître. Assystem se donne les moyens d’aller de l’avant et de renforcer sa position au service de l’ingénierie du digital.

Marylène Huot-Marchand, Digital Twin Référent – BIM Expert

* Internet industriel des objets

Victor Richet

A propos de l'expert

Victor Richet

Head of Digital - Inde

Ingénieur en physique des réacteurs nucléaires de formation, Victor a une solide expérience dans la conception et le déploiement des outils d'ingénierie numérique et digitale.

Marylène Huot-Marchand

A propos de l'expert

Marylène Huot-Marchand

Digital Twin Référent - BIM Expert

Ingénieur en construction, Marylène est une spécialiste du BIM, technologie qu’elle expérimente depuis une quinzaine d’années dans des environnements divers.