Les villes intelligentes – par Andrew Buxton

Les villes intelligentes – par Andrew Buxton

Les villes intelligentes – par Andrew Buxton 623 223 Sébastien BAGES

Powerleap (ou récupération de l’énergie par le sol)


Cette innovation de production d’énergie utilise la technologie piézoélectrique pour convertir l’énergie cinétique des déplacements piétonniers et d’autres vibrations en énergie électrique. La conception des circuits maximise le signal électronique et distribue l’électricité à son application destinée ou à sa batterie du système de stockage. Un revêtement de sol robuste est conçu sur mesure autour des éléments électroniques pour protéger les composants sensibles en son sein. Powerleap est parmi les premiers en son genre à profiter des propriétés uniques des matériaux piézoélectriques, pour, actuellement, produire des quantités d’électricité utilisables.

L’idée est d’être capable de disperser des centaines de capteurs minuscules autour d’un bâtiment pour contrôler la température ou l’humidité, ou encore fixer des micro-détecteurs sans fil contrôlés à distance dans une surface peinte – par exemple d’un pont pour contrôler la tension de la structure 24h/24, 7 jours par semaine. Des dispositifs intelligents de détection de poussières composés de capteurs micro-électromécaniques sans fil (MEMS) minuscules peuvent tout détecter, de la lumière aux vibrations.

Grâce aux percées récentes dans des matériaux tels que le silicium, et des techniques de fabrication novatrices, ces « microstructures » pourraient être finalement de la taille d’un grain de sable, bien que chacune contiendrait des détecteurs, des circuits de calcul, une technologie de communication bidirectionnelle sans fil (exemple de communication bidirectionnelle) et une alimentation électrique. Ces « grains de poussière » rassembleraient des monceaux de données, exécuteraient des calculs et communiqueraient ces informations en utilisant une fréquence radio bidirectionnelle entre ces nano-ordinateurs, sur des distances de 300 mètres.

Les applications commerciales potentielles sont variées, allant de la capture des défauts de fabrication – pour la détection des vibrations parasites dans les équipements industriels – jusqu’au suivi des mouvements d’un patient dans une chambre d’hôpital, servant de capteurs de circulation en zones urbaines encombrées, de surveillance de la puissance de consommation des appareils électroménagers, de déterminer s’ils fonctionnent de manière optimale et bien plus.

Du côté de l’énergie, la recherche est actuellement en cours, notamment avec Shad Roundy, postdoctorant à l’Université de Californie à Berkeley, sur les piles à combustible qui peuvent siphonner plus d’énergie afin de faire fonctionner des dispositifs antipoussières intelligents plus longtemps. Cela inclut la récupération d’énergie des vibrations ambiantes générées par les machines industrielles, ou bien la collecte d’énergie issue de faibles niveaux de luminosité.

Une chaussée solaire est une surface de la route qui génère l’électricité au moyen du solaire photovoltaïque. Il existe une proposition consistant à mettre des panneaux de 12×12 pieds (ou 4x4m), comprenant une plaque photosensible et une plateforme à DEL (diodes électroluminescentes). Le concept implique le remplacement du bitume des autoroutes, des routes, des parkings, des allées et des trottoirs avec ce type de système.

piezoelectrique

Il est revendiqué qu’en faisant de cette façon pour tout le territoire des États-Unis d’Amérique, le pays pourrait produire trois fois plus d’électricité que ses besoins et presque assez pour alimenter le monde. La chaussée solaire est une série de panneaux solaires ingénieusement superposés. L’idée est de remplacer les routes actuelles d’asphalte issues de la pétrochimie, les emplacements de parking et les allées par des panneaux solaires routiers qui collectent de l’énergie pour être utilisée par nos maisons et les entreprises.

L’objectif ultime est de pouvoir emmagasiner l’excès d’énergie dans ou le long des chaussées solaires. Cette énergie renouvelable remplacerait le besoin des combustibles fossiles actuellement utilisés pour la production d’électricité. Ceci, à son tour, réduirait littéralement les gaz à effet de serre de moitié.

Une organisation appelée Solar Roadways [Routes solaires] située dans l’Idaho, aux États-Unis, a reçu une subvention pour un contrat de recherche de 100.000$ par le Ministère des Transports des USA pour faire une route-prototype de panneaux solaires.

Mieux, cette organisation avait mis en place une campagne crowdfunding Indiegogo et a récolté plus de deux fois son objectif (2.200.716 $)

 
Voici une vidéo de démonstration (anglais) :

 
Imaginez à quelle vitesse cette technologie pourrait être développée s’il n’y avait pas d’histoire d’argent, mais seulement un questionnement sur les ressources disponibles.

 

Modèle d’information unique du bâtiment

Dans la bataille perpétuelle pour maintenir la compétitivité à l’intérieur de notre système monétaire actuel et j’oserais dire, système non rentable, où les entreprises sont continuellement à la recherche de moyens pour maximiser les profits, des architectes, des géomètres, des ingénieurs en génie civil et des sous-traitants font face à des échéanciers et des budgets de plus en plus serrés. Pour développer et mener à bien les grands projets de construction dans les délais, en respectant le budget et selon les spécifications contractuelles, ils devraient travailler précisément et efficacement.

Deux innovations technologiques récentes jettent les bases d’un nouveau standard complet d’automatisation de nombreuses tâches quotidiennes de construction, qui, jusqu’à récemment, étaient jugées impossible à automatiser :

  • Le contrôle des machines par géolocalisation (GPS)
  • Le modèle d’information unique du bâtiment (BIM)

 
Les ingénieurs, les sous-traitants et les superviseurs (chef de secteur, chef de chantier,…) sont maintenant en mesure d’automatiser une grande partie du processus de construction, améliorant la productivité globale et la précision, achevant les projets de construction plus rapidement, plus efficacement et en respectant le budget.

Les logiciels BIMs tels que Autodesk Revit permettent aux ingénieurs de développer un modèle numérique 3D de haute précision d’un projet de construction. Les entrepreneurs pourraient alors charger ce modèle directement dans l’ordinateur de bord d’un Bulldozer ou d’un excavateur avec système GPS intégré. Puis, en utilisant une combinaison de GPS et systèmes de positionnement local par Laser, l’opérateur machine compare la localisation en temps réel avec la modélisation du site, perçant, creusant, remplissant, (…), pour atteindre des niveaux de précision qui étaient jusqu’à présent impossible même avec la main-d’œuvre la plus qualifiée.

Ensemble, ces deux évolutions sont en train de transformer l’ère des anciens concepts de construction qui consistent(/taient) comme un ensemble de plusieurs métiers de mains-d’œuvre manuelles qualifiées, pour une révolution de l’automatisation de la construction ; cela changera à jamais l’industrie de construction mondiale, tout comme la préfabrication numérique qui est en train de changer la conception architecturale. Un changement similaire à la période où l’automobile a éliminé graduellement la diligence.

Actuellement, les opérateurs humains sont encore nécessaires pour conduire les machines et ajuster manuellement leurs tâches grâce aux directions obtenues par les systèmes GPS, tandis que le système GPS embarqué actionne automatiquement les lames et les seaux des machines avec des données provenant du modèle BIM. Cependant, comme notre technologie s’améliore, on peut imaginer que dans un futur pas si lointain cela pourrait être automatisé en utilisant des capteurs embarqués, des caméras et des dispositifs d’extension pour automatiser entièrement ce processus.

 

C’est quoi un GPS et comment ça fonctionne ?

gps-sat

Le système de positionnement et de datation par satellites (GNSS) est un réseau international composé principalement des systèmes satellites américains et russes. Le système GPS calcule l’emplacement exact d’un véhicule de construction mobile en utilisant trois composants : les satellites (trilatération), une station de base fixe et un récepteur GPS monté sur véhicule.

Les satellites transmettent des signaux radio vers la Terre, y compris toutes les erreurs de position, qui sont ensuite reçus via une station fixe sur site et divers récepteurs montés sur véhicules. La station de base effectue les corrections d’erreur et triangule les données reçues à une localisation en temps réel jusqu’à 20 fois par seconde. La station de base transmet alors ces corrections d’erreurs aux récepteurs du véhicule, permettant aux machines de générer constamment les coordonnées qui sont elles-mêmes utilisées par l’ordinateur de bord comme référence avec les données BIMs, et le tout permet d’ajuster automatiquement les lames et les seaux du véhicule.

Le contrôle GPS de la machine apporte des niveaux de précision horizontaux au centimètre près. L’autoroute 3D et les projets de construction exigent cependant aussi des précisions d’élévation. De nombreux entrepreneurs se servent de systèmes de contrôle d’outils laser. Ces outils consistent en des lasers montés sur trépied qui envoient un faisceau horizontal dans un arc de 360 degrés. Des prismes de réception situés sur les véhicules de construction informent les opérateurs lorsqu’ils atteignent une élévation correcte, leur permettant une précision au millimètre près.

Les systèmes GPS de contrôle des machines sont actuellement distribués comme « indicateurs » (ou pointeurs) ou « systèmes automatisés » (ou laser d’inspection industriel 3D). Les indicateurs utilisent des systèmes internes lumineux, sonores ou HUD [Head-up display = affichage tête haute] pour guider l’opérateur de la machine puisqu’il déplace manuellement les outils du véhicule à un degré et une élévation particuliers. Le retour constant d’informations permet à l’opérateur de placer le tranchant de l’outil de coupe ou le seau correctement, avec un haut niveau de précision. Dans ces systèmes relativement peu coûteux, l’opérateur maintient le plein contrôle de l’équipement. Cependant, dans les dernières innovations exigeant toujours un conducteur manuel, beaucoup des processus machines sont automatisés avec des ordinateurs de bord sophistiqués et des assemblages électromécaniques fonctionnant semi-autonomement.

Les futurs systèmes GPS de contrôle des machines pourraient atteindre des nouveaux seuils plus élevés de productivité par rapport aux méthodes traditionnelles, de plus, il est possible que la totalité soit automatisée. C’est une tendance qui sera surement répandue à l’industrie entière. Plus il y aura d’approches novatrices et de leurs mises en œuvre, plus cela sauvera potentiellement plusieurs centaines milliers de blessures et décès annuels liés à la construction.

 

Le système BIM

Les méthodes de construction traditionnelles utilisées mondialement sont un processus chronophage, cher et demandent un travail intensif des mains-d’œuvre, où les ingénieurs, les techniciens & coordinateurs CAO (Conception Assisté par Ordinateur) créent des dessins électroniques des modèles 2Ds, des plans, des sections, des élévations et des profils, qu’ils impriment ensuite sur papier. Lorsque les entrepreneurs veulent réutiliser cette information sur un système de contrôle de machine (MCS), ils doivent passer par la tâche de développer les dessins électroniques 2Ds en format numérique 3D, convertissant finalement ce format pour qu’il soit compatible pour le MCS.

C’est un processus extrêmement lent et vorace en énergie bien que beaucoup plus efficace que les années pré-1980, quand les concepts étaient dessinés à la main, nécessitant beaucoup plus « d’heures-hommes » en dessin technique qu’avec les systèmes de conception assistée par ordinateur actuels.

Pourtant, cette méthode inefficace est utilisée comme standard pour l’industrie à l’échelle mondiale, même avec ses nombreuses preuves de remises en question de rentabilité, telles que l’exigence d’avoir à répéter le processus à partir du zéro si les concepteurs ont besoin de changer quoi que que ce soit au milieu du cycle de production.

autodesk_revit

Les interfaces BIMs comme Autodesk Revit sont des logiciels à environnement collaboratif qui permettent à toute une équipe de conception et de construction impliquée dans le projet de partager une information fiable, actualisée et entièrement coordonnée à chaque étape du cycle de vie des projets, de la conception en passant par la construction et jusqu’à l’utilisateur final.

En donnant aux équipes de conception et de construction la possibilité de contourner les étapes intermédiaires impliquées dans le transfert des données des ingénieurs/architectes vers les équipements de construction sur-site, le système GPS de contrôle des machines BIMs permet aux opérateurs de travailler plus rapidement et plus précisément.

Avec les méthodes traditionnelles, lorsqu’un ingénieur demande un changement dans les plans, les superviseurs in situ doivent enlever ou repositionner les piquets au sol, ce qui peut prendre un temps considérable, tandis que les machines et les travailleurs coûtent très chers à demeurer inoccupés jusqu’à ce que ce processus soit terminé.

Pour les systèmes GPS de contrôle des machines activés par BIM, ce processus est considérablement amélioré puisque l’ensemble est mis à jour automatiquement incluant les modèles à bord du véhicule de construction. L’opérateur commence directement à travailler sur l’ensemble des données révisées, confiant que si le modèle est juste, le travail sur place le sera aussi.

Enfin, avec le système GPS de contrôle des machines, de nombreuses choses qui seraient normalement faites manuellement peuvent être aujourd’hui complètement automatisées et avec une plus haute précision. Cette augmentation du niveau d’exactitude délivre des projets non seulement plus rapidement et plus efficacement, mais aussi évite le gaspillage en main-d’œuvre et en ressources.

 

Conclusion

Comme détaillé dans la citation suivante de Tim Tometich, Manager de la division GPS pour l’entreprise McAninch :

Les processus traditionnels impliquant des plans papier, des feuilles d’implantation et des mesures de degrés par piquets, prennent plus d’une semaine pour être exécutés. Maintenant, avec le contrôle GPS des machines et les modèles 3Ds, pour une dimension similaire de projet, cela ne prend que quelques heures. Le tout nous permet de réduire la consommation de carburant, le temps d’inactivité, la pollution aérienne – y compris les émissions des gaz à effet de serre et les déchets matériels – tout en fournissant à nos clients un produit plus fiable. Nous pensons que commencer à partir de modèles 3Ds pour conduire le processus de construction est la voie de l’avenir.

Si nous suivions le train de pensées et les tendances dans la mise en œuvre d’automatisation actuelle autour du globe pour l’agriculture, la fabrication, la distribution, la logistique et récemment le secteur des services, il est clair que nous nous approchons d’un temps où tous les ingénieurs en génie civil, les superviseurs et les entrepreneurs seront finalement complètement dépendants de systèmes GPS de contrôle des machines combinés à la modélisation du système d’information de bâtiments (BIM), de la conception à la construction. Cela aura un effet dramatique sur l’avenir de l’industrie de la construction.

Dans un article ultérieur nous aborderons l’impact du chômage technologique qui est le résultat inévitable de l’automatisation de toute industrie. Nous allons également discuter des solutions viables et réalisables pour les nombreux effets négatifs sur notre système politique et socio-économique.


Citations Andrew Buxton – Exemplaire gratuit #2, du TVPMagazine.
Traduction par Ikbel JABRANE, Ingénieur Chimiste, Tunisie

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Sébastien BAGES
About the author

Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

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