Un environnement virtuel immersif, interactif et collaboratif pour les revues de conception basées sur les modèles

An immersive, interactive and collaborative virtual environment for model-based design reviews

• Auteur / Autrice : Victor Romero
• Direction : Frédéric Noël
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Industriel : conception et production
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences pour la conception, l'optimisation et la production (Grenoble, Isère, France)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Conception Collaborative
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Merienne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre David
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivia Penas, Georges Dumont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réalité augmentée

Conception assistée par ordinateur

Data visualisation

Mots clés libres

Visualisation de données

Conception assistée par ordinateur

Ingénierie des connaissances

Big data

Réalité augmentée

Ingénierie Système

Virtual reality

Data visualisation

Computer aided design

Augmented reality

Knowledge engineering

Systems Engineering

Résumé

La conception de systèmes de plus en plus complexes implique la fabrication de plus en plus de données, qu’il est alors difficile d’utiliser (comprendre et analyser pour la prise de décision), notamment lorsqu’elles sont stockées sous la forme de documents. Des solutions se mettent en place pour pallier ces difficultés, telles que l’introduction d’une conception centrée sur des modèles, qui sont des objets plus facile à maintenir, échanger ou réutiliser que des documents.[Problématique] Cependant, la prolifération de ces modèles, leur langage spécifique, et les particularités des logiciels métier utilisés rendent leur partage difficile lors de revues de conception impliquant les acteurs d’un projet. En pratiques, ces modèles sont d’ailleurs délaissés, au profits de captures d’écran, et de communication orale pour que les informations pertinentes soient transmises. Cette thèse cherche à évaluer, dans ce contexte, la pertinence de l’utilisation d’environnements de visualisation immersive et interactive. Deux types de revues de conception sont identifiés, pour lesquels des solutions différentes doivent être apportées.[Revues MBSE] Un premier environnement cherche ainsi à faciliter la compréhension de la définition d’un système en cours de conception, et le maintien de la cohérence entre les modèles. L’objectif est alors de réaliser des revues de conception basées sur des modèles, ou « Model-Based System Engineering » (MBSE). Pour cela, l’environnement virtuel propose à l’utilisateur de visualiser des informations pertinentes extraites des différents modèles, ainsi que les liens entre ces informations, via la métaphore d’un graphe. Les informations sont représentées par des nœuds, lesquels, par leurs formes et couleurs, encode le type de données. Les liens entre ces informations sont représentés par des arêtes également visibles dans la scène. Les utilisateurs peuvent alors explorer le graphe en découvrant les liens entre deux données. Pour valider l’efficacité de cet environnement dans un contexte de revue de conception, une expérimentation est conduite sur une trentaine de sujets. Son objectif est de comparer la qualité de la compréhension d’un utilisateur, évaluée par une série de questions sur un cas d’étude, lorsque celui-ci utilise l’environnement ou lorsqu’il utilise des diapositives de type PowerPoint. Elle démontre alors que si l’environnement virtuel ne permet pas d’améliorer significativement la qualité de la compréhension, elle ne la dégrade pas, alors même que les utilisateurs trouvent la tâche moins lourde. Ce résultat motive donc de futures recherches, notamment pour trouver et tester de nouvelles métaphores, que ce soit pour la visualisation ou pour les interactions.[Vérification assistée par ordinateur] Le deuxième objectif de revue de conception identifié dans cette thèse est la vérification de système. Cette activité consiste à s’assurer qu’un système respecte les exigences qui lui sont spécifiées. Pour cela, plusieurs méthodes existent, notamment l’analyse, qui consiste à démontrer par des calculs ou simulation qu’un système respecte les exigences spécifiées. Cette thèse propose alors de suivre un processus de vérification par analyse, grâce à la co-simulation d’un modèle de solution et d’un modèle de spécification. Le premier simule le comportement d’un système en fonctionnement, et le second regroupe les exigences du système, et supervise ainsi le modèle de solution pour s’assurer du respect des exigences. Pour améliorer progressivement le réalisme de la vérification, le processus présenté ici propose 1) de visualiser le résultat de la simulation dans un environnement virtuel immersif, 2) d’interagir avec le système, en le stimulant via l’environnement, provoquant ainsi des stimulation aléatoires, 3) de remplacer des blocs de simulation par des composants réels instrumentés, pour s’assurer que ceux-ci respectent les exigences, comme prévu par la simulation.

The design of increasingly complex systems involves the production of more and more data, which is then difficult to use (understand and analyse for decision-making), especially when stored in the format of documents. Solutions are proposed to overcome these difficulties, such as the introduction of model-based design. Models are easier to maintain, exchange or reuse than documents.[Problem] However, the proliferation of these models, their specific language, and the particularities of the software used imply difficulties when sharing them during design reviews involving the project stakeholders. In practice, screenshots and oral communication are preferred to ensure that the relevant information is transmitted. The goal of this thesis is to evaluate the relevance of using immersive and interactive visualisation environments for design reviews. Two types of design reviews are identified, for which different solutions are required.[MBSE reviews] A first environment aims at facilitating the understanding of the definition of a system during design, and the maintenance of consistency between models. For this purpose, the virtual environment offers the user the possibility of visualising relevant information extracted from the various models, as well as the links between this information, via the metaphor of a graph. Thus, the information is represented by nodes, which, by their shapes and colours, encode the type of data. The links between the information are represented by edges which are also visible in the scene. Users can then explore the graph by discovering the links between two pieces of data. To validate the effectiveness of this environment in a design review context, an experiment is conducted on about thirty subjects. Its objective is to compare the quality of a user's comprehension, assessed by a series of questions on a case study, when he used the environment or when he used PowerPoint-type slides. It then demonstrated that while the virtual environment does not significantly improve the quality of comprehension, it does not degrade it, even though users assessed the task load as weaker. This result motivates future research, particularly in finding and testing new metaphors, whether for visualisation or interaction.[Computer-Aided Verification] The second design review objective identified in this thesis is system verification. This activity consists of ensuring that a system meets its requirements. For this purpose, several methods exist, for example, analysis, which consists of demonstrating through calculations or simulation that a system meets the specified requirements. This thesis proposes to follow a verification process by analysis, thanks to the co-simulation of a solution model and a specification model. The former simulates the behaviour of a system in operation, and the latter aggregates the requirements of the system, and thus supervises the solution model to ensure that it meets the requirements. To progressively improve the realism of the verification, the process presented here proposes to 1) visualise the result of the simulation in an immersive virtual environment, 2) interact with the system, stimulating it through the environment, thus provoking random stimuli, 3) replace simulation blocks with real instrumented components, to ensure that these meet the requirements, as predicted by the simulation.