Qu’est-ce qui vous a motivé à monter ce projet ? Entre constat sur les besoins et expertises du centre, quelle originalité a votre projet ?
Elie : « Je développe le couplage mécanique numérique et machine learning depuis quelques années. Cela a accompagné naturellement la mise en place des jumeaux numériques, tant demandé aujourd’hui pas l’industrie. Couplant innovation dans ce domaine et expertise sur ces sujets, j’ai réussi à établir notre propre définition spécifique des jumeaux numériques. Il ne faut pas dire jumeaux numériques d’un produit sans mentionner son utilité. En effet, je propose le jumeau numérique d’un procédé permettant de l’optimiser et le contrôler, donc répondant au besoin de nos partenaires industriels. Dans le cas de cette chaire, ça sera le jumeau numérique du procédé de traitement thermique, capable d’optimisation les installations thermiques (i.e.fours, feeder) et les contrôler pour répondre à chaque cahier de charge ».
Franck : « Ma recherche porte principalement sur l’étude approfondie des procédés couplant mécanique de fluides, transferts de chaleur et de masse et de chimie minérale. J’essaie de mélanger à la fois des approches expérimentales et numérique. Elie ayant développé à la fois des travaux similaires à caractère plus numérique mais surtout l’emploi des méthodes d’apprentissage nous a permis de proposer un projet réunissant nos deux expertises.«
Quels sont les défis scientifiques que vous allez relever ?
Elie : « La mise en place d’une double boucle d’intelligence artificielle ; la première pour la prédiction couplée à la simulation numérique des fours, la deuxième pour l’optimisation et le contrôle. C’est une nouvelle approche complètement spécifique aux mines, alliant expertise et innovation dans le couplage de la mécanique numérique et le machine learning. »
Franck : « Sur le plan technologique, des ruptures sont attendues : est-ce que le passage de fours à 100 % électrique produisant un verre sans défaut est une réalité envisageable ? Avoir le jumeau numérique d’un four est aussi le défi auquel on veut répondre. »
Quels recrutements sont envisagés ?
Franck et Elie : « La chaire prévoit le recrutement de 4 étudiants en thèse et deux post-docs. On débutera avec deux étudiants la première année pour monter à pleine puissance en début de deuxième année de la chaire. Les post-docs viendront en dernière année.«
Selon vous, qu’est-ce qui a motivé l’ANR à retenir cette chaire ?
Elie : « Cette chaire rentre parfaitement dans l’appel à projet des chaires industrielles ANR : avoir une partie innovante qui répond aux besoins les plus urgents des industriels, mais en même temps, bien maitrisé, car capable de fournir des vraies solutions à leur besoin à l’issue de la chaire. Dans notre cas, ça sera les jumeaux numériques de leurs installations et leurs procédés. »
Franck : « Difficile à répondre tant que nous n’avons pas le rapport d’évaluation de l’ANR. Si on se base à celui de l’année dernière, le projet est sur un problème sociétal important (réduction de l’empreinte carbone et l’ouverture à l’industrie 4.0). La stratégie d’Elie lors de l’audition a été de répondre à toutes les critiques de l’année dernière. »
Le projet TwinHeat, porté par le centre de mise en forme des matériaux de Mines Paris-PSL (CEMEF) vient d’être retenu par l’ANR et bénéficiera d’un financement à hauteur de 1 million d’euros. En quelques mots de quoi s’agit-t-il ?
Franck : « La chaire TwinHeat a pour objectif de fournir un cadre numérique innovant couplé à l’IA pour améliorer la performance et de réduire l’empreinte carbone des fours industriels tout en garantissant la qualité des produits finis. Par cadre numérique, on entend la simulation numérique des écoulements et des transferts thermiques dans les fours. »
Elie : « Par cadre numérique innovant, on entend le couplage de la mécanique numérique et machine Learning pour le développement d’un jumeau numérique spécifique à l’optimisation et le contrôle des procédés de traitement thermique. »
Saint-Gobain, Verallia, Fives et Pochet, ainsi que SCC Sciences Computers Consultants : plusieurs grands acteurs industriels de la verrerie vous accompagnent. A quels enjeux cette collaboration va-t-elle répondre ?
Franck : « Les producteurs de verre (Saint-Gobain, Verallia, Pochet) comme d’autres se sont engagés pour réduire leur empreinte carbone avec un objectif zéro carbone en 2050. Pour y arriver, les modes d’élaboration de leurs produits doivent être repensés. Les pistes sont de changer l’origine de l’énergie nécessaire à l’élaboration du verre (électrique, H2, bio-gaz, … ). La chaire est pour eux une opportunité d’explorer de nouveaux modes de chauffe mais aussi d’optimiser existant. Pour Fives, concepteur de fours, l’objectif est de pouvoir se doter de systèmes experts permettant de contrôler le fonctionnement des installations industriels. Le développement du jumeau numérique appliqué aux fours est un atout majeur pour eux. »
À l’impératif de transition énergétique s’ajoute un défi de transformation numérique. Comment l’intelligence artificielle peut-être apporter des solutions encore inédites ?
Elie : « Notre expertise sur le couplage de la mécanique numérique et l’intelligence artificielle nous a permis de comprendre que l’utilité d’un jumeau numérique dépend avant tout de sa finalité. En effet, nous profitons de la puissance des algorithmes les plus récents en apprentissage profond, soit à prédire, soit à prendre des décisions pour optimiser intelligemment un système, de contrôler une situation ou bien de tester des scénarios, des hypothèses et aider à la prise de décisions. »
Comment la collaboration avec Sciences Computers Consultants (SCC) renforce-t-elle la capacité de la chaire TwinHeat à disséminer et exploiter la technologie du jumeau numérique au niveau industriel ?
Elie : « SCC est spécialiste dans le développement des logiciels métiers, en particulier, pour la simulation des fours industriels. D’un côté, le rajout de l’intelligence artificielle à son offre est primordial dans nos jours, et de l’autre côté, bénéficier de son expertise pour étendre et disséminer la solution jumeau numérique issue de de cette chaire, augmentera l’impact et la visibilité de notre recherche. »
En quoi Mines Paris – PSL, à travers le CEMEF, est-elle particulièrement bien placée pour diriger ce projet de jumeaux numériques et d’IA dans les procédés industriels, notamment en termes d’expertise et d’innovations technologiques ?
Elie : « En effet, Mines Paris – PSL sont connues, en particulier à travers le CEMEF, en tant expert mondiale en solution numérique pour la mise en forme. La stratégie étant de poursuivre et de coupler cette expertise avec l’intelligence artificielle. Connaissant parfaitement la complexité de simuler des procédés industriels, nous avons conçu une double boucle d’intelligence artificielle ; la première « apprentissage pour la prediction » couplée à la simulation numérique des fours, la deuxième pour « apprentissage pour l’optimisation et le contrôle » complétement spécifique à nos partenaires pour l’aide à la prise de décision répondant à leurs cahiers de charge : qualité des produits et impact environnemental. »
Pour aller plus loin :
Dans l’industrie du verre, les fours sont une technologie largement adoptée. En raison du changement climatique mondial, des avancées sont attendues pour réduire l’empreinte CO2. Cela devient d’autant plus important que les fours utilisés pour faire fondre un liquide formateur de verre peuvent atteindre une température allant jusqu’à 1600°C : un processus aujourd’hui considéré comme l’un des plus énergivores et des plus émetteurs de CO2 au monde.
La simulation numérique est un outil standard pour la modélisation des fours. Cependant, elle reste complexe et nécessite un temps de calcul important pour concevoir avec précision un nouveau four limitant le nombre de cas testés et de variantes étudiées. Cette situation est encore plus compliquée par le nombre toujours croissant de cas d’exploitation et le besoin de flexibilité des nouvelles installations industrielles.
Un cadre numérique précis pour concevoir de nouveaux fours et optimiser le contrôle des fours existants est un sujet d’importance majeure. Il permet d’améliorer la conception de nouveaux systèmes de chauffage visant à réduire la consommation d’énergie ou changer la source d’énergie (énergie décarbonée : électricité ou hydrogène), de réduire le temps et le coût de contrôle des fours (en réduisant le temps d’expérimentation), et de développer continuellement des produits sûr et fiables qui répondent aux spécifications des clients.
Malgré l’intérêt évident de l’industrie pour une modélisation et un contrôle précis des processus de chauffage, il n’existe pas d’étude globale ni de réponse générale à ce problème dans un contexte industriel. Un cadre numérique innovant couplé à l’intelligence artificielle doit être conçu et mis en œuvre pour :
- Optimiser les conditions de fonctionnement des fours existants,
- Étudier les combinaisons optimales de paramètres de chauffage,
- Minimiser la consommation d’énergie,
- S’adapter à la transition énergétique, tout en respectant les contraintes de qualité des produits.
Deux actions simultanées sont nécessaires pour réaliser cette percée : premièrement, le développement d’une stratégie numérique révolutionnaire assistée par l’apprentissage automatique pour la prédiction précise de la dynamique des fluides du four dans des conditions bien définies et contrôlées. Deuxièmement, le développement d’une stratégie intégrée d’apprentissage par renforcement profond pour le système de contrôle du four à utiliser comme base pour un système de contrôle et d’optimisation automatique, notamment par le biais de modèles prédictifs intelligents.
Quatre grands groupes industriels nationaux confrontés à ces défis vont s’associer pour soutenir la chaire TwinHeat, pour créer le jumeau numérique de leurs propres fours, pour tirer parti de sa compréhension, de son comportement thermique, de son contrôle et enfin de son optimisation : Saint-Gobain, Verallia, Fives et Pochet. À la suite de la recommandation du panel de présidents en 2023, un nouveau partenaire renforcera la capacité de ce consortium à disséminer cette technologie de jumeau numérique et à exploiter son plein potentiel au niveau industriel : SCC Sciences Computers Consultants, 30 ans d’expérience dans le développement et la commercialisation de logiciels de simulation numérique dédiés aux procédés industriels de transformation des matériaux.
La chaire TwinHeat contribue donc à une vision à long terme d’outils de calcul d’haute-fidélité comme base pour des simulations fiables de processus de fours permettant aux partenaires d’éliminer plusieurs obstacles techniques majeurs, d’aider plus rapidement à la prise de décision pour fournir des matériaux de haute qualité, de minimiser la consommation d’énergie, d’éviter le rejet de matériaux et donc d’optimiser les processus thermiques.
Pour la 6e fois, le CEMEF obtient une ANR. L’une des missions de l’ANR est la stimulation des coopérations entre acteurs publics et privés de la recherche, elle se traduit notamment par le programme « Chaires Industrielles » dédié à la recherche partenariale, qui fait partie de la composante « Impact économique de la recherche et compétitivité » du Plan d’action de l’ANR.
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