Méthode des ancres de la réalité : Comment concevoir un jumeau numérique pour supporter la conscience de la situation ?

Reality Anchor Methodology : Designing a digital twin supporting situation awareness

• Auteur / Autrice : Stélian Camara Dit Pinto
• Direction : Guy Boy, Eric Villeneuve, Dimitri Masson, Laetitia Urfels
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie industriel
• Date : Soutenance le 26/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale INTERFACES : approches interdisciplinaires, fondements, applications et innovation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire génie industriel (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Institution : Ecole supérieure des technologies industrielles avancées (Bidart, Pyrénées-Atlantiques)
• Jury : Président / Présidente : Marija Jankovic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Pierre Lemoine, Hind Bril el haouzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Lemoine, Hind Bril el haouzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conscience immédiate

Techniques d'aide à la décision

Conception centrée sur l'utilisateur

Systèmes complexes

Mots clés libres

Intégration humain système

Jumeau numériqiue

Conscience de la situation

Méthodologie de conception

Systèmes complexes

Human System integration

Digital twin

Situation awareness

Design methodology

Complex systems

Résumé

L'industrie 4.0 permet l'optimisation des systèmes complexes par la digitalisation et donc l'acquisition de nouvelles données. Ces nouvelles données, si elles doivent permettre d'améliorer la prise de décision, génèrent également une complexité supplémentaire pour les opérateurs humains qui y sont confrontés. En étudiant le phénomène de la prise de décision humaine, le concept de conscience de la situation apparait comme primordial face à ces systèmes complexes. Pour soutenir la prise de décision, des outils appelés systèmes d'aide à la prise de décision ont été développés. L'importance du rôle de la conscience de la situation dans la prise de décision a engendré, une spécialisation de ces systèmes sous la forme de Systèmes de Soutiens à la Conscience de la Situation (SSCS). Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent à l'opportunité d'utiliser le Jumeau Numérique (JN) du système complexe, concept popularisé ces dernières années dans le cadre des travaux scientifiques autour de l'industrie 4.0, pour en faire un SSCS. Ainsi après avoir proposé une nouvelle définition du concept de JN, basé sur une étude de la littérature scientifique, une étude des composants de ce type de système en relation avec la notion de conscience de la situation a été menée pour en extraire des spécifications de conception. Ensuite, une exploration de la littérature scientifique concernant conjointement la conception des SSCS et les méthodes de conception centrée utilisateur associées a permis de mettre en évidence la nécessité de transmettre des éléments contextuels de la situation à l'utilisateur pour améliorer sa conscience de la situation et donc l'assister dans sa prise de décision. Etant donné (1) la complexité du système à représenter dans le JN et donc la complexité du JN en lui-même et (2) la nécessité d'immerger l'utilisateur pour permettre l'acquisition de la conscience de la situation au travers d'un SSCS, le concept d'ancre de la réalité est proposé pour identifier les éléments de la situation nécessaire à l'utilisateur pour percevoir, comprendre et projeter la situation à laquelle il fait face. Une méthode, appelée Méthode des Ancres de la Réalité (MAR), a été définie pour assurer l'implémentation de ces éléments dans un SSCS.Cette méthode est composée de trois étapes qui visent (1) à définir les ancres de la réalité au travers d'une études des tâches et des activités des opérateurs, (2) à créer un prototype pour la réalisation de test humain-dans-la-boucle et (3) à valider la définition des ancres de la réalité au travers d'une analyse de la conscience de la situation, des retours d'expérience et des activités réalisées lors des test.Cette méthode a été appliquée sur un cas d'étude du domaine pétrolier et a validé l'importance des ancres de la réalité définies pour le processus de prise de décision.

Industry 4.0 allows the optimization of complex systems through digitalization and therefore the acquisition of new data. This new data, while it should improve decision making, also generates additional complexity for human operators who are confronted with it. In studying the phenomenon of human decision making, the concept of situational awareness appears to be of primary importance when dealing with these complex systems. To support decision making, tools called decision support systems have been developed. The importance of the role of situational awareness in decision making has led to a specialization of these systems in the form of Situation Awareness Support Systems (SASS). The work presented in this thesis focuses on the opportunity to use the Digital Twin (DT) of the complex system, a concept popularized in recent years in the context of scientific work around Industry 4.0, to make it a SASS. Thus, after proposing a new definition of the concept of JN, based on a study of the scientific literature, a study of the components of this type of system in relation to the notion of situational awareness was conducted to extract design specifications. Then, an exploration of the scientific literature concerning jointly the design of SASS and the associated user-centered design methods allowed to highlight the necessity to transmit contextual elements of the situation to the user to improve his situational awareness and thus assist him in his decision making. Given (1) the complexity of the system to be represented in the DT and thus the complexity of the DT itself and (2) the need to imitate the user to allow the acquisition of situational awareness through a SASS, the concept of reality anchor is proposed to identify the situational elements necessary for the user to perceive, understand and project the situation he is facing. A method, called the Reality Anchor Methodology (RAM), has been defined to ensure the implementation of these elements in a SASS.This method is composed of three steps that aim (1) to define the reality anchors through a study of the operators' tasks and activities, (2) to create a prototype for the realization of human-in-the-loop tests and (3) to validate the definition of the reality anchors through an analysis of the situational awareness, the feedbacks and the activities performed during the tests.This method was applied to a case study in the oil industry and validated the importance of the defined reality anchors for the decision-making process