Sujet de Thèse
Titre :
Définition de jumeau numérique 3D de conteneurs logistiques : un problème d'optimisation
Dates :
2020/12/01 - 2023/11/30
Autre(s) encadrant(s) :
ADDIS Bernardetta (bernardetta.addis@loria.fr)
Description :
Le concept d'industrie du futur vise à offrir un cadre au développement des entreprises. De nombreuses initiatives régionales ou nationales ont déjà été initiées pour accompagner le développement économique des acteurs concernés vers ce nouveau concept. Le travail proposé dans le cadre de cette thèse s'inscrit dans cette même démarche.
L'industrie du futur s'appuie sur des éléments clés [Panetto, 2019] aptes à favoriser le développement des entreprises de production de biens tangibles. Parmi ces éléments, le concept de Digital Twin (ou Jumeau Numérique) a vocation à représenter virtuellement un objet physique, un processus ou un système et ses propriétés. Cette réplique numérique, aux usages potentiellement multiples, est alimentée en continu en données récoltées sur l'objet physique réel pour un meilleur contrôle de celui-ci.
Cette thèse se focalise sur le concept de Digital Twin dans le contexte particulier de la logistique actuelle et future. Plus spécifiquement, les objets d'intérêts dans ce cadre sont, à cause de leur dynamique importante, les conteneurs des colis qui sont regroupés, triés, dégroupés et expédiés. Le modèle tridimensionnel jumeau doit donc lui aussi évoluer dynamiquement dans le temps.
La construction d'un modèle tridimensionnel de conteneur et de son contenu (colis) partage certaines propriétés avec des problèmes de packing (emballage/arrangement) [Addis, 2008], mais dans le cas de notre cible applicative, le problème est "inversé" : le packing est donné (même s'il est inconnu) et certaines informations sur sa configuration sont disponibles (par exemple la taille des colis, le voisinage entre colis, etc.); l'objectif est de reconstruire, en utilisant cette information partielle, la disposition correspondante des colis (packing).
Cette description met en avant un élément important, à savoir la nécessité de recueillir de l'information sur le système d'une manière indirecte. La qualité et la quantité de ces informations influencent la difficulté (possibilité) du problème de reconstruction. Le point clé de ce volet est de concevoir un système de collecte qui produise la "bonne" information, pour permettre son intégration dans le système physique. Des travaux antérieurs existent sur le sujet (voir pour exemple [Thiesse, 2006], [Zhou, 2015], [Abbate, 2009]), mais l'instrumentation qu'ils proposent n'est pas économiquement viable pour de nombreuses applications logistiques.
Les travaux de thèse de Hoa Tran Dang [Tran Dang, 2017a] ont permis de montrer que, sous certaines hypothèses, il était possible (via une instrumentation donnée de type WSN) d'obtenir un modèle 3D du contenu d'un conteneur. Le problème est modélisé comme un problème de packing avec des contraintes supplémentaires provenant du graphe de voisinage issu du WSN. Il est résolu par une approche inspirée par la programmation par contraintes [Focacci, 2004][CP, 2006]. Cependant, les hypothèses posées dans ce travail ne rendent pas toujours possible l'obtention d'une seule solution d'arrangement correspondant à l'arrangement réel (plusieurs configurations 3D peuvent donner lieu au même graphe de voisinage). En effet, les informations collectées par le réseau de capteurs considéré ne sont pas suffisantes pour donner lieu à un seul jumeau numérique même sous les hypothèses réductrices prises en compte (chiralité, colis sous la forme d'un parallélépipède, accéléromètre dans chaque noeud, etc.).
La réduction du nombre de solutions proposées à partir des données mesurées constitue ici le verrou principal à lever pour l'obtention d'un jumeau numérique unique. Le contexte applicatif industriel réel rend nécessaire la prise en compte des contraintes économiques et technologiques afin d'aboutir à des solutions viables et pertinentes. L'ensemble des caractéristiques particulières de ce problème le rendent unique et nouveau. Pour lever ce verrou, les pistes de recherche suivantes seront à investiguer :
1. Formaliser et intégrer au modèle préexistant [TranDang, 2017b] des contraintes de mécanique statique (équilibre des colis) pour compléter l'information des capteurs par des connaissances non encore exploitées; étendre/modifier la méthode de résolution afin d'intégrer la possibilité de gérer des contraints fortement non-linéaires.
2. Qualifier, quantifier et placer une instrumentation complémentaire à celle déjà déployée, et au coût et/ou énergie minimum pour obtenir des données complémentaires (modèles d'optimisation et algorithmes de résolution)
3. Étudier des techniques permettant au jumeau numérique de récolter des informations complémentaires à celles disponibles par le réseau de capteurs, de façon autonome, asynchrone et intelligente, afin d'assurer son intégrité à chaque instant, tout en respectant les contraintes de coût et de consommation énergétique du système.

Parallèlement à ces premières pistes, et dans une démarche totalement inversée, nous nous proposons d'étudier une seconde approche. Le jumeau numérique en constitue le point de départ: il est considéré comme unique. Le premier questionnement auquel il nous faut répondre est le suivant : Est t'il possible de représenter, dans un formalisme à déterminer (e.g. [Buchsbaum, 2008]), et sans ambiguïté aucune, cet arrangement ? Si la réponse à la question précédente est positive, il s'agira ensuite de déterminer s'il existe au moins une façon d'instrumenter le système physique pour instancier le formalisme proposé aux différents arrangements 3D possibles.
En cas de succès sur cette deuxième approche, elle devra être comparée avec l'approche originale, sur la base des coûts respectifs de chacune d'entre elles.
D'un point de vue scientifique, le projet s'appuie sur différents champs disciplinaires couverts par les compétences réciproques des co-encadrants :
• Les technologies d'instrumentation des objets d'intérêts (colis/conteneurs) et de communication des données pour la récolte de celles-ci.
• L'optimisation numérique pour permettre la modélisation des problèmes des décisions évoquées et proposer des méthodes de résolution efficaces.
Le partenariat scientifique dans le cadre de cette thèse entre le CRAN (instrumentation, logistique) et le LORIA (optimisation) est lié aux fortes interactions et imbrications entre chacune des pistes de recherche à mener en vu de proposer une solution innovante et applicable dans le domaine industriel.
Mots clés :
optimisation numérique, jumeau numérique, conteneurs, instrumentation, collecte de données
Conditions :
Bonnes connaissances en RO et en optimisation nécessaire
Département(s) : 
Ingénierie des Systèmes Eco-Techniques
Financement :
En cours de montage