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Les environnements virtuels mettent en lumière de réels problèmes de conception avant la construction
Sur les projets d'infrastructure, tout est plus grand : le budget, le planning, le cahier des charges et surtout les risques. Lors de la conception d'un nouveau tunnel de chemin de fer à proximité de Bergen, en Norvège, Norconsult, un cabinet de conseil en architecture, ingénierie et conception a réduit des risques initialement grands en appliquant une technologie avancée à un aspect de la conception essentiel, mais lourd à gérer : le système de signalisation ferroviaire. Pour éviter les retards de construction coûteux dus à des panneaux et à des feux de signalisation incorrects, Norconsult a utilisé la modélisation 3D et la ludification de réalité virtuelle (RV) dans la conception d'infrastructures pour prévoir les problèmes de conception éventuels. L'environnement de jeu interactif créé par l'entreprise a établi un nouveau standard pour la rationalisation des processus d'évaluation, de validation, d'optimisation et d'approbation des conceptions.
Une grande société qui cultive l'esprit d'une start-up
Avec des racines remontant à 1929, Norconsult est le plus grand cabinet de conseil technique pluridisciplinaire en Norvège. Il applique son expertise à la conception et à la construction d'aéroports, d'enceintes accueillant de grands événements, d'installation pétrolières, de routes, d'hôpitaux, de barrages, de ponts, de voies de chemin de fer et de tunnels, pour ne nommer que quelques-uns des 20 000 projets de son vaste portefeuille.
Norconsult a son siège social à Sandvika, près de la capitale norvégienne, Oslo, et compte près de 3 300 employés répartis dans 88 bureaux internationaux. Bien que sa taille importante soit un avantage, elle peut aussi être un inconvénient : plus une entreprise est grande, plus elle est lente. Pour canaliser la philosophie de sociétés beaucoup plus petites et flexibles, Norconsult a mis en place une équipe interne nommée « Bleeding Edge ». « Nous sommes entre 30 et 40 des employés les plus innovants de l'entreprise et encourageons le développement de la technologie pour rendre nos pratiques de travail plus efficaces et offrir un meilleur produit à nos clients », explique Thomas Angeltveit, ingénieur civil et coordinateur BIM membre de Bleeding Edge, qui s'est fait l'apôtre de la modélisation 3D et des technologies dans le cadre des activités florissantes de Norconsult dans le domaine des transports. « Nous tâchons de faire notre métier de consultants le mieux possible en utilisant toujours les technologies les plus récentes. »
Désengorger une artère économique vitale
Appelée Bergensbanen ou ligne de Bergen, la ligne de chemin de fer reliant Oslo et Bergen serpente sur quelque 500 kilomètres à travers des paysages à couper le souffle. Mais elle n'est pas simplement l'une des lignes offrant les plus beaux paysages en Europe, elle est également vitale d'un point de vue économique, dans la mesure où elle relie les deux plus grandes villes de Norvège. Il est essentiel que les trains puissent la parcourir rapidement, facilement et en toute sécurité.
Le dernier tronçon de la voie, entre Arna et Bergen, emprunte un tunnel de 7,8 kilomètres qui passe sous le mont Ulriken. Construit en 1964, ce tunnel à une voie présentant le plus fort trafic d'Europe du Nord constitue un important goulot d'étranglement depuis des années. « La capacité du tunnel existant n'est pas suffisante pour faire passer suffisamment de trains » et répondre aux besoins de transport de marchandises et de passagers, explique Thomas Angeltveit. En 2010, Norconsult a commencé à travailler avec l'agence nationale des chemins de fer norvégiens, Bane NOR, sur un projet visant à doubler la capacité de trafic en construisant un second tunnel parallèle au premier.
Avec une fin prévue pour 2022, le projet présente des difficultés importantes pour les équipes de construction, qui doivent percer un nouveau tunnel à travers le mont Ulriken tout en améliorant le tunnel existant et les gares associées, le tout sans perturber le trafic actuel.
La sécurité, une priorité
Pour créer le nouveau tunnel sans perturber les activités du premier, Bane NOR devait utiliser un tunnelier de 1 800 tonnes qui mettrait 18 mois à creuser la roche dure sur laquelle repose le mont Ulriken. C'est la première fois qu'un tunnelier serait utilisé pour creuser un tunnel de chemin de fer en Norvège, où l'utilisation d'explosifs, une méthode plus conventionnelle, est la norme. Creuser la roche dure sur laquelle repose le mont Ulriken prendrait 18 mois.
Un grand projet d'infrastructure comme celui-ci ne fait pas uniquement face à des difficultés techniques : il rencontre aussi des obstacles administratifs. Dans les projets d'infrastructure ferroviaire, l'une des contraintes les plus importantes est l'obtention des approbations réglementaires concernant les panneaux et le système de signalisation, qui sont primordiaux pour la sécurité. « Dans les projets d'infrastructure ferroviaire, l'approbation la plus difficile à obtenir est celle du système de signalisation », explique Thomas Angeltveit. « C'est le coeur de la ligne. Il gère tout. Si un conducteur ne peut pas voir un feu de signalisation et va trop loin ou ne s'arrête pas, le système ferroviaire entier se retrouve bloqué. »
Représenter le système sous forme de jeu
Pour résoudre les difficultés complexes de conception et de construction liées au projet du tunnel d'Ulriken, Norconsult a eu recours à Building Information Modeling (BIM) pour optimiser la coordination entre les différentes disciplines. « La solution BIM est un facteur clé de réussite pour nos projets, étant donné que nous développons maintenant des nouvelles technologies à un rythme extrêmement rapide », explique Thomas Angeltveit. Les modèles BIM pour le projet de tunnel et l'amélioration des gares ont été créés avec AutoCAD, Civil 3D et Revit, combinés à Navisworks pour la collaboration entre équipes de construction.
Les difficultés administratives liées au système de signalisation ont demandé une approche différente. Si les approbations requises sont si difficiles à obtenir, c'est parce que les signaux sont généralement installés des années avant que les conducteurs ne puissent les tester. Les erreurs sont par conséquent fréquentes. Thomas Angeltveit s'est alors demandé : si les conducteurs des trains pouvaient tester les signaux plus tôt, les approbations seraient-elles plus faciles à obtenir ?
Pour le savoir, il a eu l'idée d'associer des modèles BIM à un outil de réalité virtuelle pour créer un environnement de jeu qui permettrait de « conduire » sur les futures voies avant même qu'elles ne soient construites. « Nous avions des modèles pour toutes les disciplines (les mêmes modèles ont été remis aux entrepreneurs) et nous les avons intégrés dans un moteur du jeu », explique Thomas Angeltveit. L'équipe a animé les modèles 3D avec 3ds Max et les a augmenté avec des numérisations laser de données du monde réel, telles que la disposition de la cabine de la locomotive, à l'aide de ReCap.
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Un jeu de réalité immersif permet aux conducteurs de faire passer leur train dans le nouveau tunnel d'Ulriken dans une cabine simulée, créée à partir de numérisations laser en 3D d'un véritable train.
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Les utilisateurs suivent l'itinéraire de la voie en utilisant les repères en mètres indiqués sur la voie pour estimer la distance par rapport au feu de signalisation le plus proche et indiquent les problèmes repérés sur ces signaux dans le cadre du jeu.
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Les conducteurs ont ainsi conseillé de déplacer certains feux à l'intérieur du tunnel pour favoriser la visibilité, ce qui a permis d'importantes d'économies dans la mesure où le changement a pu être fait avant la construction.
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L'environnement virtuel affiche également les appareils et les équipements présents dans le tunnel pour réaliser des simulations de cas d'urgence et permettre d'effectuer des formations pour les opérations et la maintenance.
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Le mode " drone " offre une vue d'oiseau de la gare d'Arna, située à l'entrée du tunnel d'Ulriken, après amélioration.
Images publiées avec l'aimable autorisation de Norconsult AS/Bane NOR/Baezeni
Immersion dans le potentiel
Dans le cadre du jeu, les conducteurs pilotaient sur des voies virtuelles sous la supervision d'ingénieurs civils, qui utilisaient leurs performances pour évaluer la position des panneaux et des feux de signalisation. L'environnement virtuel « donne l'impression d'y être », explique Thomas Angeltveit, « ce qui est un grand avantage quand vous essayez d'obtenir une approbation pour quelque chose qui n'est pas encore construit ». Grâce à un processus de conception itératif, les ingénieurs ont affiné et optimisé le système de signalisation. « Travailler avec les conducteurs de train nous a permis de mieux comprendre leur processus de réflexion », poursuit-il. « Nous avons pu utiliser leur expérience concernant la conduite d'un train réel. »
Bane NOR a également pu utiliser le jeu comme aide visuelle pour les équipes d'intervention d'urgence. Grâce au mode « drone », qui permet de se déplacer dans le projet depuis la perspective d'un véhicule aérien sans pilote, le personnel peut se familiariser avec les voies d'évacuation ou simuler des scénarios d'urgence. Des environnements immersifs du même type pourraient aider les équipes de projet à prévoir les besoins opérationnels et de maintenance, ce qui leur permettrait de concevoir des bâtiments et des infrastructures optimisés pour les utilisateurs finaux. « Il y a beaucoup d'opportunités à explorer », estime Thomas Angeltveit.
Un tunnel de meilleure qualité et plus sûr que jamais
La construction du tunnel progresse vers l'échéance de 2022, et a atteint un jalon important quand le tunnelier a terminé de creuser à travers le mont Ulriken en août 2017. Une fois la nouvelle ligne à deux voies terminée, un plus grand nombre de trains pourra transporter davantage de personnes et de marchandises entre Arna et Bergen à plus grande vitesse et à intervalles plus fréquents.
Entre temps, l'association de BIM, de la réalité virtuelle et d'un environnement de jeu a déjà porté ses fruits pour Norconsult, dont les efforts lui ont valu la troisième place dans la catégorie Infrastructures du concours AEC Excellence Awards 2017 (anglais) d'Autodesk. Pour Thomas Angeltveit, le jeu de RV a eu plusieurs avantages, notamment un processus de vérification réglementaire plus simple permettant de gagner des années sur les délais d'approbation standard, une meilleure implication des parties prenantes, dans la mesure où le jeu a permis même aux utilisateurs qui n'étaient pas des techniciens de visualiser les plans du projet, mais également des coûts plus faibles, les potentielles erreurs étant repérées avant la construction plutôt que corrigées a posteriori.
Le plus grand de ces avantages est peut-être le tunnel lui-même qui, grâce au jeu, pourra être exploité de façon optimale longtemps après le départ des équipes de construction. « En définitive, nous pouvons offrir des gares et un tunnel de plus grande qualité et plus sûrs que jamais », souligne Thomas Angeltveit.
L'évolution de la signalisation pour l'avenir de la conception d'infrastructures
Fort de son succès initial avec le tunnel d'Ulriken, Norconsult a fait de la ludification RV une procédure d'exploitation standard pour la conception et l'approbation des systèmes de signalisation dans le cadre de tous ses projets ferroviaires. La société explore également d'autres applications possibles. Par exemple, dans le cadre d'un projet de transport urbain, Norconsult utilise un jeu de réalité virtuelle pour recueillir l'avis des conducteurs de tram et optimiser la conception des couloirs pour les vélos et les véhicules d'urgence. Dans le même temps, les clients utilisent des environnements immersifs dans des présentations auprès de leur direction supérieure et des municipalités, qui accordent souvent leur soutien et leur adhésion de façon plus rapide et plus enthousiaste avec l'aide de visualisations en réalité virtuelle.
À long terme, il est facile de voir en quoi la ludification RV marque l’avènement de pratiques de conception proactives, et non plus réactives. « Pour nous, cette technologie change la donne », conclut Thomas Angeltveit. « Le fait de proposer une expérience de réalité virtuelle interactive avec nos modèles BIM marque une avancée incroyable dans un secteur traditionnellement conservateur. »
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