La virtualisation numérique va-t-elle tout envahir ?

Par Xavier Drouet

Jumeau Numérique, Métavers : ces appellations technophiles en vogue, utilisées dans des publi-informations répétées depuis plusieurs mois, annoncent une nouvelle ère numérique. En réalité nous assistons à l'accélération de la virtualisation de pans entier des activités économique et de notre vie sociale individuelle ou collective qui a commencé il y a plusieurs décennies. Avec les progrès de la modélisation et de la simulation numérique, on nous annonce toujours plus d'efficacité et une pléthore de distractions digitales. La virtualisation du monde serait-elle inéluctable… Pas sûr !

De la modélisation numérique à virtualisation du monde : 70 ans d'histoire

La modélisation "computationnelle" est apparue en 1950 et la première simulation numérique civile a été réalisée en physique théorique avec l'expérience de Fermi-Pasta-Ulam (1953) rapidement suivie par des applications opérationnelles comme la production de la première prévision météorologique de l'Institut Suédois de météorologie et d'hydrologie (1954). C'est en 1961 qu'est réalisée au MIT la première modélisation 3D avec un programme informatique permettant de manipuler une image à l'aide d'un crayon optique sur un écran tactile.

Cette avancée majeure est rapidement transférée à l'industrie notamment dans les secteurs automobile et aéronautique qui se l'approprient pour mettre au point les premiers systèmes de dessin et de conception par ordinateur (DAO et CAO) dont le développement, avec l'émergence du système d'exploitation Unix au début des années 1980 puis la démocratisation des ordinateurs personnels par IBM à partir de 1981, ouvre la voie à l'utilisation à grande échelle de la CAO grâce aux programmes CATiA et AutoCAD.

La création en 1993 du modeleur 3D SolidWorks, capable de réaliser des maquettes numériques complètes (pièce-assemblage-mise en plan), marque un tournant pour l'utilisation industrielle de la simulation numérique : version après version ce logiciel de CAO est largement adopté avec 3.500.000 unités vendues à un marché qui va du particulier à la grandes entreprise.

En 1995 la mise en service du Boeing 777 démontre la faisabilité de la duplication numérique appliquée à un avion civil dont la conception résulte du travail conjoint, dans un monde virtuel, du bureau d'études du donneur d'ordres et des sous-traitants

Le concept industriel de jumeau numérique est formalisé en 2002 par Michael Grieves, de l'université du Michigan.

La simulation numérique diffuse vers le public avec les jeux numériques qui apparaissent dès le début des années 70 dans diverses salles de jeux et qui s'invitent dans les foyers avec des consoles de salon dès 1972. Le très populaire jeu "Pong" est suivi de "Space Invaders" et bien d'autres disponibles sur les consoles Atari ou Nintendo et sur les ordinateurs personnels. 1985 marque un tournant dans cette saga techno-sociologique avec des jeux multijoueurs où les participants sont représentés pour la première fois par des doubles numériques les avatars.

Dans leur configuration étendue les jeux de rôle en ligne donnent au joueur la possibilité de développer une autre vie liée à une inscription dans des communautés en ligne comme le jeu Second Life. L'Industrie du Loisir, qui est de loin le premier marché de la "virtualisation du monde", ne cesse d'améliorer leurs dispositifs : Xbox 360, Wii…

Dualité réel / virtuel

En deux décennies la dualité réel / virtuel s'est progressivement imposée partout : dans le secteur économique (privé et public) pour nourrir l'innovation produit, l'innovation process ou le Lean Management et dans le secteur du loisir dans une dynamique d'offre de distractions constamment renouvelée.

Entreprises et activités d'intérêt général

Le déploiement de modèles et autres simulations numériques interactifs commence au début des années 2000, parallèlement au développement des équipements et logiciels de réalité virtuelle, du Web 2.0, de l'internet des objets et de l'intelligence artificielle.

La duplication numérique porte sur une unité opérationnelle (robot, machine-outil), une ligne de production voire une site de fabrication. Le plus souvent il y a échange d'informations bidirectionnel entre "l'objet" physique et son duplicata numérique en temps réel ou différé. Le recueil d'informations depuis l'objet ou le système réel grâce des capteurs ad hoc qui communiquent (ou enregistrent) les données qui alimentent le double numérique et, réciproquement, le pilotage de l'objet/système physique par -par commande directe ou par transmission d'une information à un intermédiaire "humain".

La plupart des secteurs économiques se sont engouffrés dans la modélisation numérique :

Aéronautique : Airbus a emboîté le pas à Boeing pour optimiser les processus de conception de ses nouveaux appareils.
Défense : parmi les applications connues on peut citer l'"Espace d'instruction collective à la numérisation de l'espace de bataille assisté par la simulation" qui permet d'entraîner virtuellement des troupes et de préparer les stratégies de combats et le programme Twin Ship, jumeau numérique appliqué la chaîne de propulsion des sous-marins, grâce auquel la durée des essais sur banc est réduite de 18 à 3 mois.
Automobile : de l'amélioration des performance des véhicules de compétition au pilotage des fabrications en série, les grands donneurs d'ordre Renault, VW, Mercedes… utilisent des doubles numérique pour la production de moteurs, l'assemblage des véhicules, etc.
Chimie : Solvay a réalisé un duplicata numérique de l'intégralité du système de contrôle / commande pour ses sites de production
Agriculture et élevage : Les grosses unités d'exploitation disposent d'outils de modélisation et/ou de simulation pour le suivi de leur fonctionnement technico-économique, pour la gestion de la réaction des cultures aux stress (hydrique, thermique…), pour la prévision des besoins énergétiques des animaux d'élevage, pour l'anticipation des effets des pratiques agricoles sur les écosystèmes de proximité.
Bâtiment : Utilisées depuis la fin des années 80 pour faciliter les échanges entre les différents corps de métier, le "Building Information Modeling" (BIM) peut maintenant intégrer des données collectées en temps réel lors de la construction et après la livraison pour piloter leur production, pour prévoir leur consommation d'énergie ou gérer leur maintenance prédictive.
Industries alimentaires : la modélisation numérique est utilisée de la mise au point de machines unitaires (emballage / conditionnement par exemple) à la mobilisation d'un système intégré d'objets connectés pour l'augmentation de l'efficacité de plusieurs dizaines de sites industriels pour les sociétés multinationales.
Energie : les modèles et simulations numériques sont couramment utilisés pour gérer la production (centrales thermiques ou hydro-électriques, éoliennes, valorisation énergétique de déchets), pour optimiser de la distribution en fonction de la consommation et de la météorologie, pour le suivi et maintenance des infrastructures du réseau.
Eau et assainissement : la duplication numérique des réseaux permet de détecter les fuites grâce à une modélisation hydraulique et une remontée de données en temps réel (débit pression, captations vidéo …)
Mobilité et infrastructures de transport : qu'il s'agisse du trafic des navires dans les ports, de circulations des trains sur les lignes, de gestion de flottes de véhicules ou encore de la gestion fonctionnelle et de la surveillance des infrastructures, la simulation est devenue incontournable. Elle est aussi utilisée par des centaines de millions d'automobilistes qui définissent et adaptent leurs itinéraires en temps réels avec l'appli "Map" qu'ils ont téléchargée sur leur smart phone
Logistique : la duplication numérique des entrepôts permet l'optimisation de l'ordonnancement, le suivi des expéditions, la gestions des véhicules, des parcs de conteneurs et de l'accessibilité des espaces de stockage.
Industrie du médicament et des dispositifs médicaux
- La modélisation bio-informatique sert à concevoir de nouveaux médicaments comme le saquinavir (anti-Sida), découvert en 1987, qui est l'une des premier à avoir été conçu par modélisations numérique. La modélisation permet aussi de faire le criblage des médicaments in silico depuis près de vingt ans. Depuis quelques années la duplication numérique de cohortes de volontaires permet d'accélérer le traitement exhaustif des données d'essais cliniques sur des dizaines de milliers de personnes.
- Dans le segment des dispositifs médicaux on peut citer le simulateur de chirurgie oculaire qui aide les chirurgiens ophtalmologistes à pratiquer des interventions, la duplication numérique est utilisée pour concevoir des prothèses sur mesure (pour le traitement d'un anévrisme de l'aorte) ou/et pour évaluer a priori leur efficacité et leur sécurité.
Commerce : de grandes enseignes de distribution ont adopté la virtualisation de leur produits ainsi que leur environnement d'usage pour proposer la visite immersive de leurs rayons virtuels afin de donner plus de confort pour leur e-clients (et pour diminuer les taux de retour des ventes par internet) ; des agences immobilières proposent des visite à 360° avec la possibilité d'intégrer ses propres meubles et de simuler la décoration.
Télécommunications : la simulation numérique a été utilisée pour le déploiement du réseau 5G
Finance : La numérisation des comptabilités et la dématérialisation des échanges offre un environnement très favorable à la modélisation que ce soit pour la finance d'entreprise (évaluation de sociétés, construction de business plan…) ou dans la finance de marché (gestions de portefeuille, estimation des risques, optimisation en temps réel)

L'utilisation de la virtualisation numérique est aussi utilisée dans les services fonctionnels des entreprises

Marketing : les casques de réalité virtuelle permettent d'imaginer de nouveaux produits, de les concevoir et de les tester virtuellement avec les publics cibles. Ils sont aussi utilisés pour la promotion des offres commerciales et la vente.
Formation : on utilise déjà des applications permettant aux techniciens-apprenants à manier des représentations en 3D de systèmes complexes en particulier sur des projets à risque et, bientôt, des répliques virtuelle d'atelier de maintenance réunissant des jumeaux numériques des machines à entretenir, de tous les outillages nécessaires, et potentiellement connecté permettront n'importe quelle intervention à distance.
Ressources humaines : l'efficacité des réunions professionnelles présentielles ou distancielles peut être améliorée grâce à l'interaction des participants avec une réplique des équipements et du système d'information de l'entreprise.

Activités d'intérêt général

Les applications de la modélisation, de la simulation et de la duplications numériques sont nombreuses et offrent d'intéressantes perspectives.

Santé - organisation des soins - prévention : la modélisation et la simulations numériques ont été mises au service de l'analyse et du pilotage de services hospitaliers (chirurgie, urgences), de l'optimisation des flux d'informations de la médecine de ville vers l'hôpital afin d'améliorer les parcours de soins, de l'estimation à court terme des besoins hospitaliers pour les patients Covid depuis 2020.
Villes intelligentes : les smart cities peuvent-elles être "revampées" grâce au jumeaux numériques de territoires ? C'est le choix qu'ont fait de grandes métropoles en France et dans le monde (Rennes, Bordeaux, Strasbourg…) comme Singapour, Newark, Sydney, Séoul. En revanche des projets comme celui de Toronto ont été abandonnés à cause de la crainte des habitants pour leur vie privée. La duplication numérique (en tout ou partie) d'un territoire urbain permet à ses décideurs d'anticiper ses mutations démographiques, économiques et environnementales, d'améliorer sa résilience en simulant différents scenarii de crise et, last but not least, de mesurer l'efficacité des politiques publiques.
Dans le secteur de la culture et des loisirs : Les livraisons des doubles numériques de la cathédrale Notre-Dame de Paris et de la grotte de Lascaux en 2021 consacrent près de deux décennies de travaux de modélisation numérique à des fins culturelles qui permettent aussi la visite en réalité virtuelle ou en réalité augmentée de sites remarquables en France (château de Chambord, Musée d'Orsay…) et dans le monde majeurs (Taj Mahal, Machu Pichu…). Le spectacle vivant et le mode audiovisuel ne sont pas en reste à en croire
-le projet Opéra Bis qui a proposé en 2010 une saison d'opéra en réalité mixte et en simultané dans deux mondes virtuels, Second Life Et Open Simulator
-le concert virtuel de Jean-Michel Jarre,"Welcomme to the other side", donné pour le passage à 2021 . Il y apparaissait sous la forme de son avatar propulsé à l'intérieur de la cathédrale Notre-Dame de Paris en images de synthèse et le show était visible en ligne sur les réseaux sociaux.
A l'échelle de la planète on peut citer, entre autres, le travail d'un consortium international mené par l'IFREMER qui développe un Jumeau Numérique de l'Océan et le projet de construction d'un jumeau numérique de la Terre pour mieux prévoir les phénomènes météorologiques extrêmes induits par le changement climatique avec le supercalculateur d'intelligence artificielle, Earth 2.

Impact économique, questionnements et perspectives

La virtualisation numérique représente un part significative du marché IT

Alors que les dépenses IT dans le monde s'élèvent à 3870 Mds de dollars USD en 2020, les logiciels et services représentent plus d'un tiers des flux (logiciels 500 Mds, services IT, 1.000Mds, les ventes d'applications, plateformes et services de modélisation et animation graphique se sont élevées à 270 en 2019 et 2020, le CA mondial des jeux vidéo est de 300 Mds en 2020 (autres source) et le marché du Jumeau numérique estimé à 3,1 Mds en 2020 devrait atteindre 48 Mds d'ici à 2026.

Si ces chiffres témoignent d'un réel intérêt et d'incontestables avantages que de la virtualisation numérique présente cela ne doit pas occulter les questions qu'elle pose dans nos organisations économiques et sociales qu'il s'agisse de leur implémentation de leur réglementation (régulation), leur gouvernance…

Effets de la virtualisation du monde : Beaucoup de questions quelques réponses

Faisabilité, précision et fiabilité de la modélisation

Elles dépendent des données et de ce que le process numérique en fait. La virtualisation numérique repose d'abord sur la qualité des données dont la qualification, la représentativité, la fiabilité, doivent être cohérentes avec les objectif assignés à leur utilisation pour construire et/ou alimenter le modèle lors de son fonctionnement dans des conditions de connectivité et de sécurité éprouvées.

Elle pose aussi la question de la confiance : le modèle, les algorithmes, l'intelligence artificielle qui croisent des données d'exploitation et des données internes ou externes sont-ils suffisamment complets, robustes et explicables ?

On comprend facilement combien ces caractéristiques du process sont importantes en prenant l'exemple d'un responsable d'une usine doit choisir entre l'arrêt d'une chaîne de production et les risques d'une panne endommageant gravement l'outil industriel.

On en voit aussi les limites notamment dans la modélisation du vivant dont la complexité peut mobiliser de puissances colossales, pouvant se chiffrer en exaflops, comme cela a été observé dans le projet Human Brain.

Implémentation : rien n'est simple…

…car l'univers de la virtualisation numérique est très disparate. On y trouve des poids lourd de l'informatique des spécialistes de la simulation 3D, des opérateurs du cloud, des spécialistes de l'IA… Face à cette offre hétérogène, le marché se trouve confronté à une alternative délicate : retenir une solution générique et passer beaucoup temps à la personnaliser ou bien opter pour une solution très spécifique et perdre en fonctionnalités. Il peut aussi buter contre une absence de méthodologie et de standards qui compliquent la définition puis la conduite d'un projet de duplication numérique qui fait intervenir différents acteurs internes et externes avec des briques technologiques qu'il faut interfacer alors qu'elle ne sont pas conçues pour être interopérables.

Par ailleurs, la conception et l'exploitation de systèmes de simulation intégrés introduit une transformation culturelle par la révision organisationnelle qu'elle demande laquelle génère souvent de la résistance au changement

Plus prosaïquement, l'implémentation de modèles, simulation ou duplication numérique est coûteux en équipements, prestations de service externes et internes, formation des équipes. La ticket d'entrée augmente pour les entreprises dont la structure digitale (cloud, IOT) est immature et les dispositifs de protection contre les cyberattaques sont fragiles.

De nouvelles questions juridiques à résoudre

La digitalisation de la vie professionnelle est presque banale dans les activités tertiaires, après deux ans de pandémie Covid, grâce des outils de communication et de collaboration (Teams, Zoom…) qui peuvent devenirs des plateformes virtuelles où le travail serait une combinaison de réunions avec avatars, téléportations et autres hologrammes dans des espaces inspirés du gaming pour stimuler la créativité et encourager la collaboration. Pour qu'elles soient acceptables, efficientes et durables ces nouvelles conditions de travail, comme le recrutement numérique ont besoin d'un cadre réglementaire nouveau à réinventer

La protection des données personnelles collectées à l'occasion d'un achat ou d'une démarche administrative, lors de la participation à un jeu en ligne ou d'un déplacement dans une smart-city dotée d'un jumeau numérique est fondamentale 1/ pour qu'elles ne soient ni conservées au-delà du strict nécessaire, ni exploitées ensuite à d'autres fins, notamment politiques 2/ pour assurer que les traitements mis en oeuvre n'aboutissent à aucune discrimination en raison des caractéristiques intrinsèques de l'usager, du fait de sa personnalité ou de ses comportements ou du "body tracking" que permet le smartphone dont nous ne nous séparons plus.

Le RGPD en vigueur depuis 2018 sera-t-il suffisant pour garantir la protection ? Après trois ans on voit qu'il ne protège pas à 100 % : ainsi les millions de personnes ont volontairement fourni leurs données génétiques à des sociétés américaines pour se découvrir une éventuelle ascendance ou des prédispositions à telle ou telle maladie virtuellement établies ne sont pas à l'abri des effets de des lois fédérales américaines qui autorise les autorités à demander la communication de ces données et les opposer à un voyageur lors de son passage de la frontière.

Quelle facture environnementale pour la virtualisation du monde

A fur et à mesure que des activités virtuelles se développent nous utilisons de plus en plus et de plus en plus intensément des serveurs et autres datacenters énergivores, l'extraction des métaux rares est en croissance avec ses effets collatéraux délétères, pendant que la réutilisation et le recyclage des matériels obsolètes est à la peine.

La virtualisation peut-elle aider à réduire l'empreinte écologique ? Peut-être…

Dans les entreprises où c'est possible l'organisation du travail distant et les expérimentations immersives évitent les déplacements ce qui réduit l'impact CO2 et, sous réserve qu'un bilan carbone soit fait, on peut espérer tendre vers son amélioration.

Pour les activités grands publics virtuelles c'est moins sûr car bon nombre d'entre elles sont déjà sédentaires. Si la digitalisation d'évènement culturels ou de visites touristiques sont envisageables "sur la papier" il n'est pas certain que tous leurs publics adhèrent à la désincarnation de leur loisirs et cela vaut aussi pour la vie sociale où la présence physique fait la richesse de l'échange lors d'une réunion familiale à l'occasion d'une cousinade ou le plaisir de découvertes imprévues lors d'un voyage avec des amis.

Ce tour d'horizon permet de constater que dans l'industrie la modélisation / simulation, en général, et les jumeaux numérique ou des métavers, en particulier, ne sont pas nouveaux.

Ils répondent au besoin d'anticiper les aléas dans le cycle de vie des systèmes et dans les process de production de biens et de services privés ou publics en intégrant les exigences de traçabilité, de qualité, de performance énergétique. Outre l'ajustement de leur modèle économique, les entreprises et institutions publiques qui ont adopté le déploiement de la virtualisation numérique en leur sein ont aussi révisé leur organisation en terme de distribution des tâches et d'attribution des responsabilités avec un ratio bénéfice/risque satisfaisant qui ne doit pas masquer que innombrables que les petites organisations devront attendre faute d'avoir les moyens financiers pour profiter des avantages de la virtualisation numérique.

Progressivement le grand public est entraîné vers un espace dématérialisé avec les jeux sur console ou sur casques RV et avec les enceintes intelligentes et autres "appli" interactives, où les clients qui n'étaient autrefois que des consommateurs passifs, sont désormais aussi des créateurs et amplificateurs dans des systèmes complexes aux "conditions d'utilisations indéchiffrables".

Toutefois le "digital twin" de la vie réelle, c'est-à-dire une reproduction, dans des univers virtuels, de toutes les activités sociales existant dans la réalité physique n'est pas pour demain, et c'est tant mieux pour l'humanité.

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Par Xavier Drouet (Blog d'information Hommes et Sciences)