Qu'est-ce que Smart infrastructure ?

Une infrastructure intelligente désigne des systèmes d'automatisation intelligents qui s'appuient sur des matériels et des logiciels avancés fonctionnant conjointement pour prendre des décisions intelligentes en temps réel. Une infrastructure intelligente combine des capteurs, des appareils connectés à l'Internet des objets (IoT), des modèles d'informations de construction (BIM), des analyses de données en temps réel et d'autres technologies spécifiques à certaines applications afin de surveiller les infrastructures physiques et d'optimiser leurs performances.

Grâce à ses capacités intelligentes, l'infrastructure physique peut fonctionner de manière beaucoup plus efficace, améliorer ses performances et produire moins d'émissions. Les transports publics, l'énergie, les services publics, les technologies de construction intelligente et les infrastructures urbaines intelligentes sont quelques exemples d'infrastructures intelligentes.

Les capacités des infrastructures intelligentes ne sont possibles que grâce à leurs éléments constitutifs fondamentaux. Il s'agit notamment des éléments suivants :

Capteurs

Les capteurs sont la pierre angulaire des infrastructures intelligentes. Des simples capteurs de température et d'humidité aux capteurs IoT avancés, ils sont chargés de collecter des données sur leur environnement. Sans ces données, le système de technologie intelligente au sens large ne serait pas en mesure de prendre des décisions en temps réel ou éclairées, car il n'aurait aucune comprehension de son environnement.

Outre les capteurs plus classiques, des caméras d'imagerie sont utilisées pour enregistrer des vidéos, reconnaître des actifs et suivre des objets dans un environnement. Ces caméras peuvent être fixées sur des poteaux à l'extérieur et sur des murs à l'intérieur, ainsi que sur des drones, des satellites et d'autres aéronefs, afin de surveiller les infrastructures à grande échelle. Tandis que les capteurs plus classiques détectent les stimuli environnementaux, les caméras d'imagerie fournissent une image visuelle de l'environnement.

Communication sans fil

Les infrastructures intelligentes reposent sur la communication en temps réel entre tous les composants matériels et logiciels. Sans technologies de communication efficaces, les infrastructures intelligentes (et les technologies intelligentes en général) ne seraient pas possibles. Les réseaux sans fil sont désormais pilotés par les communications 5G, qui connectent les capteurs, les caméras d'imagerie et les appareils IoT à des systèmes de commande centraux où est effectuée l'analyse logicielle.

Modèles d'informations de construction

Les BIM produisent des modèles 3D de bâtiments, de services publics ou d'environnements de circulation en combinant des données géométriques avec les propriétés de conception de l'infrastructure prévue (données sur les matériaux, coût, etc.). Les données figurant dans un BIM permettent d'effectuer une surveillance en temps réel et des opérations de maintenance prédictive afin de rendre les infrastructures plus sûres, plus durables et mieux implantées.

Les BIM ne constituent pas des technologies nouvelles, mais ils se sont perfectionnés ces dernières années, les jumeaux numériques fournissant davantage d'informations sur le cycle de vie des infrastructures physiques, leur vieillissement probable et leur fonctionnement optimal.

Capture de la réalité et cartographie à l'aide de systèmes d'information géographique

La combinaison des BIM et des outils de capture de la réalité, tels que le balayage laser et la photogrammétrie, avec des systèmes d'information géographique (SIG), permet d'ajouter davantage de contexte aux informations dans l'environnement. Cela améliore la prise de décision du système en le rendant conscient de l'emplacement, sensible aux différents contextes, plus précis et plus efficace. Voici quelques exemples d'informations qui peuvent être contextualisées à l'aide d'un GIS :

• L'emplacement des bâtiments en fonction des données topographiques et altimétriques
• Les types de réseaux de services publics et de transport à installer autour des infrastructures des bâtiments

Ces informations contextualisées sont importantes, car elles permettent de déterminer plus facilement et à l'avance les facteurs géographiques et environnementaux avant d'implanter les infrastructures. Si la construction a commencé, mais qu'il existe des restrictions de zonage ou des problèmes de raccordement aux services publics, il devient beaucoup plus difficile et coûteux de remédier aux problèmes de planification à ce stade.

Il existe aujourd'hui de nombreux types d'infrastructures intelligentes, qui utilisent toutes différentes technologies pour surveiller et optimiser leur emplacement et leur fonctionnement quotidien. Examinons certains des principaux types :

Réseaux intelligents

Les réseaux intelligents changent la façon dont le réseau électrique produit et gère l'énergie. La numérisation du réseau améliore l'efficacité énergétique, la consommation d'énergie et la durabilité du réseau, et permet à l'écosystème énergétique au sens large d'être plus étroitement connecté. De nombreux réseaux anciens ne disposent que d'une communication unidirectionnelle entre les entreprises de services publics et les consommateurs, mais les réseaux intelligents offrent désormais une communication bidirectionnelle. De plus, les réseaux intelligents sont équipés de multiples capteurs et dispositifs IoT (qui peuvent être installés sur les équipements existants) situés autour du réseau afin de gérer les charges énergétiques provenant des ressources énergétiques distribuées (DER). Ces DER comprennent les sources d'énergie renouvelable (RES) et les véhicules électriques (VE) qui ajoutent et retirent respectivement, de manière intermittente de l'énergie localisée.

Les systèmes de commande décentralisés facilitent la circulation de l'énergie aux heures de pointe grâce à la collecte de données en temps réel et à la surveillance des actifs du réseau. Il est ainsi plus facile de prévoir les temps d'arrêt, de détecter rapidement les coupures de courant et les défauts sur les lignes de transmission (sans intervention manuelle), de rétablir plus rapidement l'alimentation après une coupure et d'intégrer les énergies renouvelables dans le réseau.

En ce qui concerne la demande de charge, les réseaux intelligents peuvent détecter les pics localisés provenant des VE et d'autres consommateurs d'énergie. Les réseaux intelligents peuvent également déterminer si une quantité excessive d'énergie provenant de sources renouvelables est introduite, provoquant des goulots d'étranglement localisés sur les lignes de transmission. En détectant les variations de charge en temps réel, l'énergie peut être redirigée afin d'optimiser le réseau de transmission et de retirer de l'énergie d'une ligne ou d'en ajouter, en fonction des exigences de charge, afin que chacun puisse continuer à y avoir accès.

Systèmes intelligents de gestion du trafic

Les systèmes de gestion du trafic sont un autre exemple d'infrastructure intelligente. Ils sont basés sur le temps et les horaires et déterminent le fonctionnement des feux de circulation en fonction du trafic prévu à un moment donné de la journée. Cependant, le flux de circulation varie d'un jour à l'autre et un accident peut modifier complètement la dynamique du trafic. Pour faire face aux situations imprévues, les systèmes intelligents de gestion du trafic disposent de capacités de planification avancées qui assurent un contrôle dynamique du trafic en temps réel.

Grâce à une combinaison de caméras sophistiquées, d'antennes qui comptent en permanence le nombre de véhicules à chaque arrêt et d'algorithmes avancés, les signaux peuvent être modifiés de manière dynamique afin d'assurer une meilleure fluidité du trafic. Cela contribue également à mieux garantir la sécurité des piétons, car le temps de traversée des passages piétons peut être ajusté.

À l'avenir, il pourrait également être possible d'intégrer des systèmes de capteurs de trafic en temps réel dans les véhicules autonomes (VA) ; les véhicules et les feux de signalisation pourraient alors communiquer entre eux. Cela pourrait s'inscrire dans le cadre d'un système de transport intelligent plus large et d'environnements urbains intelligents, où tout serait encore plus connecté que dans les systèmes intelligents actuels.

Systèmes intelligents de gestion de l'eau

Les systèmes intelligents de gestion de l'eau constituent également un élément clé des infrastructures intelligentes et peuvent être utilisés pour résoudre un certain nombre de problèmes liés à l'approvisionnement en eau et à l'entretien des infrastructures de tuyauterie existantes. Les entreprises de services publics mettent désormais en place des capteurs afin de mieux mesurer, gérer et comprendre les problèmes potentiels et de les résoudre avant qu'ils ne s'aggravent. Les systèmes intelligents de gestion de l'eau peuvent être utilisés pour :

• Identifier toute fuite potentielle (et localiser précisément leur emplacement) et les réparer avant qu'elle ne s'aggrave, permettant ainsi aux consommateurs de retrouver plus rapidement un approvisionnement normal en eau.
• Mesurer les niveaux de pH, de turbidité et de contaminants dans les canalisations afin de s'assurer que l'eau reste potable.
• Vérifier l'absence de défaillance de la pompe et de colmatage du filtre en mesurant la qualité de l'eau.

Gestion intelligente des bâtiments

La prochaine génération de bâtiments intégrant une technologie de détection avancée aura un impact environnemental moindre grâce à la technologie de surveillance intelligente de l'environnement interne en fonction de l'occupation de certaines pièces du bâtiment, ce qui rendra les bâtiments intelligents plus efficaces sur le plan énergétique. Du contrôle automatisé de l'éclairage et du réglage des paramètres HVAC pour contrôler la qualité de l'air et l'humidité à la mesure de la température interne et des niveaux de CO2, les bâtiments intelligents offrent également un environnement plus confortable et une meilleure qualité de vie aux occupants.

Sur le plan opérationnel, les systèmes de surveillance intelligents peuvent également garantir que tous les éléments du bâtiment (ascenseurs, pompes, systèmes électriques, etc.) fonctionnent en permanence et planifier des programmes de maintenance prédictive et préventive afin d'éviter tout temps d'arrêt imprévu.

Comme pour toute nouvelle technologie, la mise en œuvre et l'utilisation présentent toujours des avantages et des limites.

Les avantages de la technologie d'infrastructures intelligentes sont les suivants :

• Amélioration de l'efficacité grâce à la réduction du gaspillage et à l'amélioration des performances du système
• Réduction des coûts liés à la durée de vie grâce à une gestion optimisée de l'énergie, du fonctionnement et de la maintenance, ce qui se traduit par une meilleure longévité des composants et des équipements du système
• Amélioration de la durabilité grâce à la réduction de la consommation d'énergie et des émissions de gaz à effet de serre
• Augmentation de la résilience du système grâce à des capacités de prédiction plus avancées
• Amélioration de la capacité à surveiller et à entretenir les actifs en temps réel et à prendre plus rapidement des mesures correctives en cas de problème
• Amélioration de la sécurité des infrastructures

D'autre part, les limites actuelles de la technologie d'infrastructures intelligentes sont les suivantes :

• Les coûts initiaux élevés des capteurs IoT rendent difficile leur déploiement à grande échelle, de sorte que seules les communautés en mesure de payer ces coûts peuvent bénéficier des avantages de cette technologie. Cela pourrait entraîner des disparités en matière d'infrastructures entre les quartiers jusqu'à ce que les coûts baissent, alimentant alors potentiellement des problèmes sociaux.
• Le fait de mettre toutes les données sur le cloud rend la technologie vulnérable aux cyberattaques. Tant que des composants standardisés ne seront pas utilisés à tous les niveaux avec des protocoles de cybersécurité robustes, le fait de disposer de plusieurs points d'entrée potentiels pouvant communiquer via un réseau connecté numériquement présentera toujours un risque de cybersécurité.
• Il existe un risque de réaction négative de la société en raison des préoccupations liées à la confidentialité. Par ailleurs, des obstacles sociaux et technologiques doivent encore être surmontés pour assurer une mise en œuvre à grande échelle.

Nous allons maintenant étudier les différents types de logiciels de simulation et la manière dont des logiciels similaires sont utilisés pour faire progresser la conception et la mise en œuvre de différentes infrastructures intelligentes.

Simulation de réseaux intelligents

Les logiciels de simulation permettent de concevoir des réseaux intelligents plus avancés, du niveau des composants à celui des systèmes. Voici quelques exemples d'outils de simulation :

Le solveur de champ électromagnétique avancé Ansys Maxwell : Cet outil électromagnétique permet de concevoir des transformateurs, des commutateurs et d'autres équipements électroniques de puissance utilisés dans les réseaux intelligents. Il examine le rendement thermique, l'ampérage et le courant traversant le composant afin d'assurer des performances élevées.

Le logiciel de simulation de refroidissement électronique Ansys Icepak : Ce logiciel de simulation thermique évalue les performances des composants dans différents environnements de température. Qu'il s'agisse d'équipements électroniques de puissance générant beaucoup de chaleur en raison d'un courant élevé ou d'actifs exposés à la chaleur du soleil pendant une longue période, le logiciel Icepak permet d'étudier le comportement des composants dans des conditions de pointe afin de s'assurer qu'ils ne surchauffent pas.

La plateforme de jumeaux numériques basée sur la simulation Ansys Twin Builder et le logiciel de jumeaux numériques alimenté par l'IA Ansys TwinAI : Ces systèmes logiciels créent des environnements de jumeaux numériques qui sont en mesure d'examiner le système de réseau intelligent à l'échelle réelle et de concevoir l'algorithme complet du système de commande du réseau. Cela permet de déterminer toute dégradation des composants, les défauts potentiels, les cycles de maintenance, ainsi que la position et les performances optimales des nombreux capteurs utilisés dans le réseau intelligent. Les jumeaux numériques créent un environnement virtuel du réseau physique et peuvent ensuite étudier de nombreux scénarios opérationnels potentiels à l'aide de données en temps réel provenant des actifs physiques.

Simulation de systèmes intelligents de gestion du trafic

Les capteurs et les caméras utilisés dans les systèmes de trafic intelligents sont montés sur des poteaux et doivent être durables pour résister aux éléments, tels que le vent et les contraintes thermiques qui provoquent une usure au fil du temps. Que l'on utilise des caméras optiques, infrarouges ou standard, le logiciel d'analyse structurelle par éléments finis Ansys Mechanical capture les données de dégradation de ces systèmes et simule leur comportement au fil du temps, ainsi que dans des conditions météorologiques défavorables comme le brouillard et la pluie.

D'autre part, l'environnement de développement basé sur des modèles Ansys SCADE Suite pour les logiciels embarqués critiques simule le logiciel embarqué qui sous-tend la surveillance du système de commande afin de voir comment les données de la caméra sont transmises au système de commande en temps réel et comment ces deux technologies communiquent entre elles. Cela permet d'identifier et de capturer tous les cas limites potentiels dans un système de gestion du trafic.

Simulation de systèmes intelligents de gestion de l'eau

Le logiciel de simulation des fluides Ansys Fluent est un outil de dynamique des fluides numérique (CFD) qui permet de simuler l'écoulement de l'eau dans une canalisation et de simuler des fuites. Les zones de canalisations présentant des fuites produisent un bruit différent de celui des canalisations en bon état, et ce bruit peut être simulé dans le logiciel Fluent afin d'entraîner des dispositifs de surveillance intelligents. Une fois que les algorithmes ont appris à distinguer le bruit, les capteurs peuvent facilement détecter s'il y a une fuite locale en se basant uniquement sur le bruit de l'écoulement de l'eau.

Les logiciels Twin Builder et TwinAI peuvent également être utilisés pour créer un environnement virtuel de jumeaux numériques du réseau de canalisations d'eau. Le jumeau numérique peut simuler de nombreux environnements, notamment :

• Simuler l'intégrité des canalisations et la durée de vie restante de différentes canalisations
• Mesurer les vibrations acoustiques dans les canalisations au fil du temps et vérifier les anomalies qui pourraient suggérer des problèmes
• Simuler et optimiser les pompes et les moteurs utilisés pour faire circuler l'eau dans les canalisations
• Suivre les fluctuations de pression dans les canalisations en temps réel
• Observer comment tous les aspects du réseau de canalisations fonctionnent de concert

Simulation d'environnements de bâtiments intelligents

L'environnement interne d'un bâtiment peut être simulé de différentes manières. Par exemple, le logiciel Fluent peut analyser la circulation de l'air à l'intérieur d'un bâtiment et déterminer les gradients de température dans les couloirs ou les pièces. Cela peut être utilisé pour simuler la manière dont les systèmes peuvent surveiller différentes pièces et assurer en permanence une température confortable.

Concernant l'éclairage, le logiciel de simulation optique et d'éclairage intégré CAD Ansys Speos permet de positionner idéalement les luminaires dans le bâtiment afin d'obtenir une luminescence maximale en utilisant le moins de luminaires possible et ainsi d'économiser de l'énergie. De plus, le logiciel Speos permet d'optimiser les emplacements avant la mise en place du câblage et des luminaires, car il est difficile de corriger un problème après l'installation physique.

Le logiciel Maxwell peut être utilisé pour capturer, dans un bâtiment, les vibrations acoustiques et les niveaux de bruit qui pourraient provenir des ascenseurs, de la climatisation centralisée et des systèmes HVAC afin d'offrir un environnement plus calme aux occupants. Les capteurs peuvent être entraînés à l'aide des données de simulation afin d'identifier tout problème potentiel dans les canalisations en se basant uniquement sur les variations de bruit dans le système. Le logiciel Maxwell peut également être utilisé pour simuler le logiciel et le matériel du système de commande impliqués dans le fonctionnement des bâtiments intelligents, afin de s'assurer qu'ils ne subissent pas de court-circuit ou de surchauffe pendant le fonctionnement.

Des technologies physiques et numériques ont déjà été développées pour gérer et surveiller efficacement différents systèmes d'infrastructure dans différents environnements. À l'avenir, une grande partie de la technologie des infrastructures intelligentes sera basée sur l'intelligence artificielle (IA), où toutes les données des capteurs seront lues et interprétées par des algorithmes d'IA. À l'instar des véhicules définis par logiciel dans le secteur automobile, nous disposerons bientôt de bâtiments définis par logiciel, de systèmes d'information routière définis par logiciel et de systèmes de gestion de l'eau définis par logiciel.

Si vous souhaitez découvrir comment utiliser la simulation pour développer des systèmes d'infrastructures intelligentes plus robustes, contactez notre équipe technique pour en savoir plus.

Ressources connexes