Jumeau numérique et smart building

L’évolution vers le smart building, ou le bâtiment digital, a pour objectif de mieux comprendre, gérer, exploiter, maintenir, produire, et vivre dans le bâtiment.

Pour réaliser ces objectifs et offrir réellement les promesses du smart building, il est nécessaire de transformer le bâtiment en une plateforme de services digitaux qui vont traiter, croiser ou analyser des données du bâtiment. Pour cela, ces services doivent d’abord extraire, qualifier, donner du sens aux données du bâtiment.

Le jumeau numérique est la structure de données qui donne du sens !

La gestion des données et le jumeau numérique sont au cœur d'une stratégie d'évolution vers smart building !

Gérer des données est une activité complexe, surtout sur un bâtiment qui est lui-même un asset complexe en termes de nombre de systèmes installés, de volume et d’hétérogénéité des données à gérer et du nombre d’applications et d’usagers. De plus, le concept même de jumeau numérique étant apparu récemment (2004), les compétences en jumeau numérique n’existent pas dans les systèmes et solutions de gestion standards du bâtiment.

La figure suivante propose un positionnement des compétences en jumeau numérique des différentes plates-formes ou des différents logiciels présents sur le marché du smart building.

Les plates-formes logicielles sont comparées sur deux axes :

• axe vertical : la capacité à contextualiser, à croiser et à donner du sens aux données du bâtiment

• axe horizontal : la capacité à traiter dynamiquement ces données et à agir de manière autonome

Nous y positionnons un nouveau type de plate-forme logicielle : le DTMS (Digital twin Management System). Le BOS Spinalcore est un DTMS.

Pourquoi mettre en place un jumeau numérique et un processus qualité sur la gestion des données ?

• Pour ajouter de la valeur grâce à des nouveaux services intelligents

• pour rationaliser l'existant et simplifier la gestion du bâtiment

Le jumeau numérique contextualise, ajoute de la qualité et donne du sens aux données. Il rend possibles de nouvelles typologies d'analyses et de services plus intelligents que nous résumons sur la figure 2. Les axes sont les mêmes que sur la figure précédente.

Cette figure résume les capacités actuelles avec les systèmes existant et les nouvelles capacités induites par la mise en place d'un jumeau numérique.

Nous pouvons traduire ce schéma de la manière suivante :

• Plus nous contextualisation les données, plus nous leur donnons du sens, plus les systèmes de gestion peuvent évoluer vers des analyses et des prises de décisions pertinentes et intelligentes (évolution sur l'axe vertical)

• Plus nous ajoutons des capacités à réagir vite, à acquérir et à traiter les données de manière dynamique, plus nous rendons les systèmes de gestion autonomes (évolution sur l'axe horizontal)

Un système intelligent & autonome doit prendre en compte l'ensemble de ces compétences. Il doit évoluer sur les deux axes pour être en mesure de réaliser concrètement des actions de maintenance préventive, de gestion énergétique adaptative, de gestion dynamique des espaces en fonction de l'usage réel...

La comparaison avec la figure 1 montre clairement que les systèmes actuels du bâtiment ont évolué en silo en se spécialisant soit verticalement (IT), soit horizontalement (OT) :

• Les systèmes IT (à gauche dans la figure 1) : SI d’entreprises qui ont vocation à centraliser les informations de pilotage de l’entreprise et à automatiser les processus de support. Rentrent dans ce cadre la GMAO, le BIM, les ERP, le PLM...

• Les systèmes OT (à droite dans la figure 1) : SI industriels qui permettent de contrôler les équipements industriels et d’exécuter les processus de production. Rentrent dans ce cadre la GTB, le SSI, les SCADA au sens large...

Connexion ou convergence des systèmes ? Quelles conséquences sur la qualité des données et sur le jumeau numérique

Pour évoluer vers le smart building, il faut coupler l'ensemble des compétences (modélisation & dynamique, IT & OT) afin d'arriver à des solutions adaptées. Pour cela, deux choix sont possibles mais n'ont pas les mêmes conséquences :

• connecter des solutions dynamiques avec des solutions de contextualisation (GTB connecté à un viewer BIM par exemple). Cette méthode ne permet pas réellement d'évoluer vers le smart building car elle hérite d'un manque global de qualité sur la gestion des données du bâtiment issu du développement historique en silo.

• converger en développant de nouvelles gammes de solutions de gestion de jumeau numérique dynamique. Ce que nous appelons un DTMS (Digital Twin Management System). Cette méthode ouvre la voie vers le smart building car elle permet la mise en place d'une démarche qualité globale sur la gestion des données du bâtiment. Le BOS Spinalcore est une solution de convergence.

Le bâtiment, tel qu'il existe actuellement, n'a pas été conçu avec l'idée d'en faire une plateforme applicative devant fournir des services numériques. Jusqu'ici, la gestion des données étant secondaire, aucune cohérence d'ensemble, aucune architecture d'un système d'informations unifié n'était réalisée. Si bien que la partie digitale du bâtiments hérite de plusieurs défauts :

• Manque de vision globale, chaque système propose une vue partielle du bâtiment

• Manque de qualité des données du bâtiment, multiplicité des référentiels

• Manque de sens et problématiques de compréhension des données

La mise en place d'un jumeau numérique dynamique répond à une vraie stratégie qualité sur la gestion des données du bâtiment digital pour répondre à ces défauts.

Regardons plus en détail chacun de ces points.

Manque de vision globale, chaque système métier propose une vue partielle du bâtiment

La grande majorité des logiciels et systèmes installés/utilisés pour gérer le bâtiment (GTB, GMAO, GTP, SSI, CA…) fonctionnent aujourd’hui en silo, avec peu d'échanges réels entre systèmes. Tous ces systèmes adressent des problématiques métiers spécifiques. Ils ont été conçus, il y a déjà plusieurs dizaines d'années, sans contrainte de partage de données ou d'intégration dans une chaîne logicielle de gestion de la donnée plus complète. Ceci a conduit chaque éditeur de solution à proposer pour son logiciel :

• Une vision partielle des données du bâtiment spécifique à son propre métier (par exemple, une GMAO connaît ce qu’est un ticket, mais pas ce qu’est un point de mesure)

• Une vision partielle du bâtiment spécifique aux services proposés par sa solution (par exemple, une GTB connaît les équipements connectés mais pas les murs, portes… et autres éléments du bâtiment qui ne renvoient pas de données)

Evolution avec une approche connectée

Une approche connectée ne résout pas les problèmes, elle en ajoute ! Dans ce genre d'approche, aucun système n'apporte de vision transverse globale du bâtiment. Le jumeau numérique dynamique n'existe pas. On complexifie à outrance la gestion du bâtiment en multipliant les connecteurs nécessaires pour essayer de croiser les données entre systèmes.

Evolution avec une approche convergente

La mise en place d'un DTMS central (BOS Spinalcore) permet le déploiement d'un jumeau numérique. Le jumeau numérique dynamique apporte une vision globale et contextualisée de l'ensemble des données du bâtiment complémentaire aux visions métiers spécifiques. Il permet le développement de ces nouvelles applications plus intelligentes.

Manque de qualité, multiplication des référentiels

Une autre problématique associée au fonctionnement historique en silo des systèmes du bâtiment est la multiplication des référentiels.

En phase projets, les systèmes sont segmentés par lots et intégrés par des entreprises différentes avec des logiques différentes. Ceci conduit chaque intégrateur de solution à proposer une convention de nommage spécifique construite de manière arbitraire pour sa solution (les équipements et les salles dans la GMAO ne portent pas le même nom que dans la GTB, le SSI, la gestion des salles de réunion…)

Les systèmes IT et OT, bien qu'ils fonctionnent sur le même bâtiment physique, proposent chacun leur propre description du bâtiment qui n’est pas compatible avec celle des autres systèmes !

10 systèmes = 10 visions différentes du bâtiment !

Ceci ne constituait pas un problème tant que les systèmes vivaient séparément. Mais l’évolution vers le smart building demande, pour apporter plus d’intelligence, plus de compréhension, plus de valeur… de connecter les systèmes et de croiser les informations. Mais comment croiser intelligemment une alarme GTB avec un ticket GMAO sur un même équipement si les deux systèmes ne vous donnent pas le même nom d’équipement ni le même nom de salle ?

Evolution avec une approche connectée

Ceci n'apporte aucune solution au problème des référentiels multiples !

Avec ce type d'approche, les « data scientists » passent ainsi aujourd’hui 70% de leur temps à « nettoyer » les données reçues et seulement 30% à croiser les données. Cette problématique, mise à l’échelle d’un bâtiment complexe qui produit des millions de données par jour, génère un surcoût de développement des « applications intelligentes » d’un facteur 3 à 5 ce qui rend économiquement non viable l’évolution vers le smart building.

Evolution avec une approche convergente

Le jumeau numérique apporte un référentiel unique partagé. Ceci offre une évolution considérable de la qualité des données du bâtiment et se traduit directement dans le coût de développement des nouvelles applications intelligentes.

Une approche convergente permet de développer économiquement un smart building !

Manque de sens

Le système d’information du bâtiment, qui offre une vision transverse et qui donne du sens au bâtiment n’existe pas encore !

Les différents systèmes IT et OT cités (GTB, GMAO, SSI, GTP…) abordent chacun une problématique spécifique et tentent d’y apporter du sens, de la compréhension en se concentrant sur une échelle de représentation alignée avec la problématique qu'ils traitent.

Certains systèmes se concentrent sur une vision patrimoniale, Ils proposent donc une ébauche de jumeau numérique représentatif du patrimoine qu'ils opèrent, mais ne rentrent pas dans le détail de chaque bâtiment composant le patrimoine :

• Les outils de GMAO offrent au mainteneur une vision globale de son parc de bâtiment sous maintenance afin de donner du sens à la gestion de ses ressources. Ces outils proposent une vision très partielle et haut niveau du bâtiment.

• Les outils de GTP (Gestion technique de patrimoine) offrent au gestionnaire de patrimoine (Asset manager) une vision globale de son parc de bâtiment sous gestion afin de donner du sens à son portefeuille d’assets. Ces outils proposent une vision très partielle et haut niveau du bâtiment.

D'autres systèmes se concentrent sur une vision métiers d'un sous-système du bâtiment. Ils proposent une ébauche de jumeau numérique représentatif du sous-système qu'ils opèrent, mais pas du bâtiment dans sa globalité :

• La GTB permet de savoir si les équipements CVC sont fonctionnels. Cet outil tente de donner du sens à une problématique métier de maintien en condition opérationnel des équipements de confort. Sans s’attaquer au bâtiment dans son ensemble.

• Le SSI se concentre sur la sécurité incendie. Il met en place des vues et des alarmes qui permettent de faire comprendre rapidement aux occupants et aux personnels qualifiés le niveau de « criticité » d’un problème de départ de feu afin de les faire réagir plus vite et d’éviter le danger...

Le schéma suivant positionne les différents systèmes en fonction de l'échelle à laquelle ils apportent du sens :

De ce point de vue, le BIM occupe une place particulière. Le BIM, qui n’est pas encore un système d’information mais une description statique, s’attaque de front à la thématique de la description d’un bâtiment dans son ensemble. Il donne une vision globale de l’ensemble des éléments composant un bâtiment et propose une interface 3D qui facilite la compréhension et donne du sens à ce que va devenir le bâtiment avant même qu’il n’existe réellement.

Une approche convergente permet de créer le jumeau numérique du bâtiment et donc de donner du sens aux données du bâtiment !

Le jumeau numérique du bâtiment est une évolution dynamique du modèle BIM. C'est une structure de données dynamique qui se nourrit des maquettes BIM et de l'ensemble des données venant des autres systèmes afin de les contextualiser, d'extraire du sens et de comprendre le fonctionnement, le comportement et l'usage réel du bâtiment.

Le BOS Spinalcore : plateforme de gestion du jumeau numérique dynamique du bâtiment

Lorsque, chez SpinalCom, nous avons défini le concept de BOS, nous l'avons fait en donnant beaucoup d'importance au sens. Le Building Operating System Spinalcore est :

• un OS : une plateforme de gestion de données qui virtualise un asset physique (jumeau numérique) et qui orchestre les processus et les échanges de données entre les différentes applications fonctionnant sur cet asset (un DTMS répond à la même définition)

• qui gère un bâtiment (Building) : il gère donc le jumeau numérique du bâtiment

De notre point de vue :

• Les systèmes qui opèrent à l'échelle du patrimoine ne sont pas des BOS, ce sont au mieux des OS de patrimoine s'ils gèrent un jumeau numérique de patrimoine.

• Les systèmes qui opèrent à l'échelle d'une pièce ne sont pas des BOS, ce sont des room controller (ou Room OS s'ils gèrent le jumeau numérique d'une pièce).

• Les concentrateurs GTB et gateway multi-protocoles ne sont pas des BOS. Ils ne gèrent pas de jumeau numérique et traitent uniquement des données partielles issues de la GTB ou des systèmes OT.

• Les superviseurs GTB ne sont pas des BOS. Ils ne connaissent pas les portes, les murs, les tickets de maintenance... et ne gèrent pas de jumeau numérique.

C'est pourquoi vous trouverez, dans la figure 1, la bulle autres "BOS" avec des guillemets.

Définitions

Qu'est-ce qu'un jumeau numérique ou "Digital Twin" ?

Le jumeau numérique est la réplique numérique (un modèle de données) d'un asset physique qui peut être utilisé à diverses fins. Il contient à la fois les éléments et la dynamique de fonctionnement d'un dispositif et permet de le suivre tout au long de son cycle de vie. Nous distinguons quatre échelles de jumeau numérique : objet , assemblage, système ou "système de systèmes".

Le jumeau numérique apporte :

• Une vision transverse et globale du bâtiment

• Un référentiel unifié & partagé

• De la qualité et du sens

Qu'est-ce qu'un "Digital Twin Management System" (DTMS) ?

Un DTMS (Digital Twin Management System) est littéralement un système de gestion du jumeau numérique. C'est une plateforme logicielle capable de gérer de manière dynamique un jumeau numérique et d'orchestrer ses relations avec toutes les applications qui interagissent avec lui (AI, analytics, systèmes techniques du bâtiment, GMAO, ERP...).

Le BOS Spinalcore est un DTMS capable de gérer tout type de jumeau numérique dynamiquement (objet, assemblage, système ou "système de systèmes").

Quelles sont les compétences techniques nécessaires pour la gestion d'un jumeau numérique ?

Sémantique des données

L'axe vertical du schéma de positionnement des plates-formes mesure la capacité à contextualiser et à donner du sens aux données du bâtiment. Cette partie introduit les compétences à mettre en œuvre pour évoluer sur cet axe.

Le jumeau numérique étant un modèle de données, la notion de sémantique est importante pour comprendre ce qui le différencie des autres typologies de modèles de données.

La pyramide de l’information présente de manière imagée les typologies de données en fonction de la richesse de l’information traitée. Plus on monte dans la pyramide, plus on donne de sens aux données.

Le jumeau numérique est un "graph sémantique" qui agit sur la couche 3 (contexte).

• Il mutualise, contextualise et donne du sens aux données et aux informations.

• Il facilite le travaille des développeurs d'applications

Le terme de "building graph" est d'ailleurs souvent employé pour faire référence à un jumeau numérique. Les modélisations BIM ou BRICK reposent sur cette typologie de représentation mais avec des limitations :

• la maquette BIM est une représentation graph statique partielle. Elle ne comprend pas les données de type points de mesure, séries temporelles, tickets de maintenance...

• La modélisation BRICK est une représentation graph dynamique partielle. Elle ne comprend pas les données de type objet BIM, volume 3D, ticket de maintenance...

Positionnement des solutions SpinalCom vis à vis de cette définition

Le jumeau numérique "Spinaltwin" offre une représentation graph à l'échelle d'un système ou d'un "système de systèmes". IL est capable de prendre en compte des données BIM, des volumes 3D, des points de mesure,des séries temporelles, des tickets de maintenance... Il est géré de manière dynamique par le BOS Spinalcore et peut évoluer grâce au SDK Spinalcore pour prendre en compte d'autres types de données.

Pour gérer ce jumeau numérique, le BOS Spinalcore contient un Système de Gestion de Base de Donnée graph, temps réel capable de répliquer, distribuer et synchroniser des graph de données.

Les applications intelligentes de BIM Exploitation de la suite applicative "SpinalTwin suite" (couche 4) utilisent nativement le jumeau numérique pour proposer des services plus intelligents.

Démarche qualité pour la mise en place du jumeau numérique

L'axe horizontal du schéma de positionnement des plates-formes mesure la capacité à gérer de manière dynamique et autonome les données du bâtiment. Cette partie introduit la démarche à suivre pour évoluer sur ce second axe.

Le jumeau numérique est un graph de données qui abstrait le bâtiment, ses systèmes, ses équipements... et qui gère les données de manière dynamique afin de suivre l’état du bâtiment et de l’ensemble de ses composants à tout instant et tout sur le cycle de vie du bâtiment. Ce graph est donc constitué de données diverses, très hétérogènes venant de nombreux systèmes d'informations différents. Sa mise en place doit suivre un processus qualité et se fait de manière progressive pour plusieurs raisons :

• Les systèmes qui produisent de la donnée sont mis en place à des moments différents dans la vie du bâtiment (dans le neuf par exemple nous avons d'abord le BIM, puis la documentation, puis la GTB, le SSI...)

• Ces systèmes sont mis en place par des intégrateurs différents qu'il faudra faire participer au processus qualité

• Le bâtiment vit et évolue en permanence, son jumeau numérique évoluera avec lui pour représenter au mieux son état. Il pourra être mise à jour par des opérateurs mais aussi de manière dynamique par des données temps réel venant des systèmes installés.

Le schéma suivant présente l'évolution du jumeau numérique en partant de son état statique initial (BIM) à son état dynamique. Le jumeau numérique se nourrit de données statiques et dynamiques. Il évoluera tout au long du cycle de vie du bâtiment afin de le représenter au mieux et d’offrir le meilleur moyen de compréhension, de diagnostic, d’analyse, de prévision, d’aide à la prise de décision…

BIM et jumeau numérique

Il est fréquent de confondre jumeau numérique et BIM. Le schéma précédent montre que pendant les deux premières phases de construction du jumeau numérique, le BIM est la principale source de données. Cela évolue ensuite rapidement lorsque les systèmes d’information du bâtiment commencent à être installés et que le jumeau numérique devient d’abord connecté puis dynamique. A partir de l’étape 3, il doit prendre en compte les données de systèmes tels que le SSI, la GTB, la GMAO, l’IoT et progressivement l’ensemble des sources de données du bâtiment…

Mise en œuvre dans le neuf ou dans l'existant

Cette évolution est valable pour les programmes neuf (BIM construit par les équipes de maîtrise d'ouvrage) comme sur un immeuble existant pour lequel nous commençons par réaliser une maquette BIM "light". Dans le cas des bâtiments existants, les étapes 1 et 2 sont plus légères et très courtes. Le BIM light est construit à partir des plans et contient le strict nécessaire pour asseoir une première représentation "physique" du bâtiment et des équipements utiles pour le service à déployer. Les données géométriques pourront évoluer par la suite pendant tout le cycle de vie du bâtiment afin d'offrir progressivement plus de précision et de s'adapter aux usages réels.

Démarche qualité pour la constitution du jumeau numérique

La figure 10 montre l’importance d’une démarche qualité globale pour la gestion des données du bâtiment. On comprend à travers ce schéma que :

• Le BIM, utilisé pour les phases de conception/construction (en rouge sur le schéma), est en fait l’étape initiale d'une modélisation beaucoup plus vaste que nous appelons le jumeau numérique.

• Les données GTB, gérées aujourd’hui en silo, sont une composante d'une modélisation plus vaste, le jumeau numérique. Il faudra prendre en compte le lien avec le jumeau numérique (référentiel unifié) pendant la phase d'intégration GTB.

• Les données GMAO, gérées aujourd’hui en silo, sont une composante d'une modélisation plus vaste, le jumeau numérique. Il faudra prendre en compte le lien avec le jumeau numérique (référentiel unifié) pendant la phase d'intégration GMAO.

Ces deux derniers points seront valables pour tous les systèmes d'information agissants sur le bâtiment.

Conclusion

Le smart building, comme tout système intelligent, doit reposer sur une représentation pertinente, riche et qualitative de la réalité. Cette représentation permettra d'offrir des services numériques de qualité capables d'extraire réellement de la valeur de la montagne et de la diversité des données produites par le bâtiment et par ses occupants.

Le jumeau numérique apporte cette représentation riche grâce à :

• une vision transverse et globale du bâtiment

• une convergence des référentiels vers un référentiel unique partagé pour plus de qualité des données

• une structure de données contextualisée porteuse de sens

Techniquement, la structure des données d'un jumeau numérique repose sur un graph sémantique géré de manière dynamique, seul capable de produire cette représentation riche et de l'adapter en permanence via les données dynamiques du bâtiment.

Les systèmes actuels de gestion du bâtiment ne sont pas compétents pour offrir ce jumeau numérique. Il faut développer une nouvelle typologie de systèmes permettant la convergence entre modèles de données riches et gestion dynamique (convergence IT/OT). Nous appelons ces nouveaux systèmes des "Digital Twin Management System" (DTMS).

Le BOS Spinalcore est le seul DTMS mature sur le marché actuellement. Il offre une solution de convergence permettant la mise en place d'un jumeau numérique dynamique et d'une démarche qualité sur la gestion des données pour permettre réellement l'évolution vers le smart building.

A propos de SpinalCom: En libérant la puissance digitale du Smart Building, Spinalcom, le pionnier du concept de système d’exploitation des bâtiments, donne aux concepteurs, promoteurs et exploitants immobiliers en quête d’innovation les clés pour révéler tout le potentiel de leurs biens.

Plus d'information sur www.spinalcom.com

Informations sur l’auteur :

Jérémie Bellec, co-fondateur et président de Spinalcom est docteur en dynamique des structures à l’Ecole Normale Supérieur de Cachan (Saclay), formateur sur les systèmes d’informations intelligents à l’Executive Education de l’Ecole Polytechnique et formateur sur le BIM exploitation au master BIM de l'école des ponts et chaussées.

Jérémie travaille depuis 2007 sur les questions de jumeau numérique dynamique et de edge ou fog computing. D’abord dans le domaine aéronautique où il a développé, pendant près de 6 ans, le cœur de plateforme Spinalcore comme un “OS de système distribué” ou "DTMS". Puis dans le domaine du bâtiment digital depuis 2015 où il a créé le concept de BOS. La société Spinalcom déploie aujourd’hui son BOS ainsi que sa suite applicative de BIM exploitation (Digital Twin Studio, Dataroom, Building Operation Center...) avec comme ambition l'industrialisation de la démarche de digitalisation du bâtiment.