# Simulateur d'infrastructure portuaire

Blaise Conrard, Gérald Dherbomez, Rochdi Merzouki

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Blaise Conrard, Gérald Dherbomez, Rochdi Merzouki. Simulateur d'infrastructure portuaire. 17ème colloque national S-mart AIP-PRIMECA, Université Polytechnique Hauts-de-France [UPHF], Mar 2021, LAVAL VIRTUAL WORLD, France. hal-04327818

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Submitted on 7 Dec 2023

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# Simulateur d'infrastructure portuaire

Un outil de développement pour l'automatisation des platesformes de gestion de conteneurs

Blaise CONRARD, Gérald DHERBOMEZ, Rochdi MERZOUKI

Univ. Lille, UMR 9189 – CRISTAL – Centre de Recherche en Informatique Signal et Automatique de Lille, F-59000 Lille, France

Blaise.conrard@polytech-lille.fr, gerald.dherbomez@univ-lille.fr, rochdi.merzouki@polytech-lille.fr

> Résumé— Cet article présente un simulateur d'infrastructure portuaire de gestion de conteneurs. Il constitue un outil numérique permettant la conception et le développement de systèmes embarqués par une première réalisation virtualisée d'équipements automatisés en vue ou en parallèle à leur réalisation réelle. Cette technique correspond à la tendance actuelle de développement basée sur une représentation virtuelle de l'équipement en phase de développement et de mise au point. Au final, le simulateur peut alors devenir un jumeau numérique s'il modélise avec assez de finesse et de précision le comportement de l'équipement réel. C'est sur cette thématique concernant la réalisation d'un outil de simulation d'environnement virtuel que porte cet article.

Mots-clés— Simulateur de processus, commande, supervision

## I. CONTEXTE DE DÉVELOPPEMENT D'UN SIMULATEUR

Le laboratoire Cristal mène depuis plus d'une décennie de nombreux travaux sur l'automatisation et la gestion des plates-formes de gestion de conteneurs. Ce fût dans le cadre de partenariats directs avec d'autres laboratoires ou d'industriels européens, ou au sein de collaboration au travers de projets européens tel que Intrade [1] et actuellement SPEED [2].

Un des résultats notables du projet Intrade fut le développement d'un véhicule autonome intelligent (ou IAV pour Intelligent Autonomous Vehicles) dont la mission est l'acheminement de conteneur. La figure 1 montre une photo de ce véhicule. Ce type de véhicule a ainsi en charge des missions comme se rendre au quai de déchargement pour y charger un conteneur afin de le déposer sur une zone de stockage, en vue de le reprendre plus tard pour l'acheminer vers les zones de départ et de chargement sur un train, un camion ou un bateau.

Plus globalement, les activités de manipulation, de tri ou de stockage de conteneurs sont des activités à faible (voire sans) valeur ajoutée. Elles n'améliorent pas la qualité d'un produit ou d'un service, excepté le fait de délivrer à moindre coût dans des délais attendus ou voulus les biens à acheminer. Ainsi, de cette constatation, ce type d'activité mérite d'être automatisé pour décharger les opérateurs de ces manipulations au profit d'activité de gestion, d'anticipation des besoins et/ou de relation client, nécessitant une intelligence relationnelle, impossible ou difficilement automatisable actuellement.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1. PHOTO DE L'AIV DEVELOPPE DANS INTRADE</figcaption></figure>

Dans ce contexte, le projet SPEED cible le même domaine des plates-formes portuaires pour l'acheminement de conteneurs. Cet actuel projet est cependant, plus ambitieux en intégrant un aspect écosystem plus poussé avec la prise en compte des nombreux acteurs du domaine et leurs interactions dans un contexte de transformation numérique de l'ensemble de la chaîne logistique.

L'article présente d'abord les principes et objectifs visés dans le développement d'un simulateur ou émulateurs d'infrastructures portuaires. Il poursuit ensuite par une réflexion sur les modèles numériques pour la simulation de processus industriels et termine par les évolutions et les usages de ce simulateur tel que pour la formation et l'enseignement.

## II. PRINCIPE ET OBJECTIFS DU SIMULATEUR

### A. *En termes de cas d'utilisation*

L'équipe du laboratoire Cristal associé au projet Speed, s'intéresse principalement aux équipements portuaires et à leur possible automatisation. Il s'agit ainsi, entre autres, des équipements de type :

- grue, pour le chargement et le déchargement des bateaux de transport de conteneurs

- porte conteneur mobile ou reach-stacker, destiné à la manipulation et au déplacement de conteneurs dans l'infrastructure du port

- portique de manipulation, destiné à placer ou à extraire des conteneurs dans une zone de stockage
Les missions de développement liées à la commande et au contrôle de ces équipements en vue de leur automatisation concernent :

- le pilotage automatisé de chaque équipement (grue, AIC...) par son calculateur embarqué (ou ses calculateurs)

- la coordination ou la coopération entre équipements basée sur l'utilisation de communications numériques

- la supervision de l'ensemble portuaire où des ordres sont transmis à chacun des équipements pour la réalisation de tâches et où des comptes-rendus sont retournés suite à la réalisation effective de ces tâches. A cela, s'ajoutent des informations échangées sur l'état du système et sur les capacités individuelles des équipements à effectuer leur mission selon leurs ressources énergétiques (niveau de charge des batteries ou des réservoirs) ou selon leur état matériel suite à des défaillances ou des pannes.

- la sûreté de fonctionnement et la sécurité où malgré l'occurrence de défaillance, d'informations erronées (ou encore, éventuellement des attaques informatiques), le système doit accomplir au mieux les missions de manipulations de conteneurs demandées et ce sans risque pour les biens, les personnes et l'environnement.

## B. *En termes de développement de commande*

Le développement de système embarqué intégré aux équipements portuaires s'appuie sur la traditionnelle et classique boucle fermée d'un système de commande. Le système de commande utilise les informations fournies par les capteurs et évalue les ordres à transmettre aux actionneurs pour permettre l'accomplissement de la mission. A cela, les aspects communication et coopération avec le reste du système s'ajoute. Ils permettent la réception des ordres et la retransmission de l'état de l'équipement ou de la réalisation des tâches confiées. La figure 2 ci-après illustre ce principe

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2. PHOTO DE L'AIV DEVELOPPE DANS INTRADE</figcaption></figure>

Autrefois, le développement du code embarqué nécessitait la possession de l'équipement réel pour sa mise au point, avec parfois d'éventuelles modifications de l'instrumentation (capteurs et actionneurs) suite aux résultats intermédiaires obtenus lors de ce développement.

Avec l'usage d'un simulateur physique, précédent ou en parallèle à la réalisation physique d'un équipement, sa commande peut être élaborée sur un modèle virtuel. Les développements menés permettent entre autres :

- de concevoir l'algorithme de commande, c'est-à-dire un traitement d'élaboration des ordres transmis aux actionneurs selon les informations des capteurs et en fonction de la tâche ou de l'objectif transmis à l'équipement

- de valider ou d'ajuster l'instrumentation, c'est-à-dire, le nombre, la position ou la nature des capteurs et actionneurs. Le résultat de ce type d'étude participe alors à la conception ou aux améliorations de l'équipement physique réel.

- d'assurer la fiabilité et la sécurité de l'équipement, en testant son comportement dans des situations à risques comme suite à une défaillance et au mauvais comportement d'un capteur ou d'un actionneur.

## C. *En termes de "nouvelles" possibilités offertes*

Les études précédentes sont en fait assez classiques pour le développement d'équipements automatisés et peuvent être menées à l'aide de modèles mathématiques ou informationnels traditionnels (modèle d'état, fonction de transfert, réseau de Petri...)

Le simulateur développé dans le cadre de ce projet vise cependant à obtenir une plus grande finesse du modèle comportemental de l'équipement et de son environnement.

Ainsi, le simulateur intègre un moteur physique c'est-à-dire, un moteur numérique capable de simuler le comportement physique d'objets en termes de mouvement, de trajectoire, de réaction à la collision ou aux frottements entre eux. Un tel moteur physique est une des fonctionnalités de la chaîne de développement Godot [3] choisie pour la réalisation de ce simulateur, mais d'autres outils comme Unity [4] d'usage plus professionnel offre des fonctions similaires.

Dans l'activité de conception de grue, d'AIV ou de porte-conteneur, cette fonctionnalité permet une plus grande finesse de la modélisation du comportement. Il intègre ainsi les possibilités de collisions, voulu ou non, comme la simple prise d'un conteneur sur le bateau par une grue ou le mauvais pilotage d'un équipement mobile qui viendrait heurter un autre équipement ou l'infrastructure à proximité.

A ceci, le simulateur intègre une représentation et une visualisation 3D du système. Comme le moteur physique, cette fonctionnalité provient du type de chaîne de développement choisie pour la réalisation du simulateur. Ceci permet une visualisation rapide et simple du bon ou du mauvais comportement du système. Cette fonctionnalité facilite aussi la communication autour du projet en fournissant un support de démonstration. Mais, surtout, la génération d'image 3D permet la simulation de capteurs de type caméra ou de télédétection (ex. : liddar) qui permettent des développements de traitements d'image ou de l'information que ne permettaient pas les méthodes et la modélisation traditionnel de processus et de comportement physique.

L'image suivante (figure 3) est extraite d'un film montrant les capacités de ce simulateur. Il est accessible à l'adresse suivante : https://www.youtube.com/watch?v=pNbIE76BVJM
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3. APERÇU DU RENDU DU SIMULATEUR</figcaption></figure>

## D. En termes d'intégration de la commande

D'un point de vue pratique, le simulateur vise à être indépendant de la partie commande et pourrait être considéré comme un émulateur de la physique du processus.

Ainsi, le simulateur a en charge :

- la visualisation 3D de l'environnement,

- le comportement physique de l'environnement, c'est-à-dire le déplacement des objets selon les forces qui leur sont appliquées,

- la gestion des ordres transmis aux actionneurs ayant un effet sur la physique des objets

- et enfin, la génération des signaux des capteurs simulés selon l'état des éléments de l'environnement simulé.

A cela, la partie commande, est complètement indépendante. Elle peut être composée de plusieurs algorithmes exécutés par des applications externes. Ceux-ci dialoguent avec le simulateur en transmettant les ordres destinés aux actionneurs simulés et, reçoivent en parallèle les mesures des capteurs, élaborées par le simulateur comme s'il s'agissait de véritable capteurs.

La figure 4 suivante illustre ce principe :

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4. ARCHITECTURE AVEC SEPARATION DU PROCESSUS PHYSIQUE SIMULE DE LA COMMANDE EXTERNE</figcaption></figure>

Dans ce projet, il a été choisi d'utiliser une interface réseau (de type UDP) pour effectuer l'interconnexion entre le simulateur et les applications de commande. Cette solution a l'avantage d'offrir une grande interopérabilité et de permettre l'emploi de la plupart des langages pour les applications de commande (Labview, Matlab, Python, Java, C...) voire même l'utiliser des calculateurs externes embarqués réels (DSpace, CompactRIO...). Un dernier atout est également de permettre la réalisation d'une commande distribuée grâce à l'usage de liaisons réseau Ethernet permettant de répartir les applications de commande sur plusieurs ordinateurs.

## III. MODÈLES NUMÉRIQUES ET ADAPTATION À L'ECHELLE DE TEMPS

### A. Limites du simulateur choisi

Une des volontés, mais également une des faiblesses du simulateur proposé est d'être temps-réel dans le sens qu'il simule le comportement d'un système avec le même écoulement du temps que le réel. C'est, certes, adéquat pour le développement d'algorithmes de commande, mais, il limite son usage pour des études sur de longues périodes.

Ainsi, si l'on souhaite étudier l'organisation d'un stock (comme une zone de stockage de conteneurs), en tenant compte des arrivées et des sorties, ceci se fait sur de longue période de l'ordre de la semaine, du mois ou même de l'année. L'outil de simulation temps-réel ne peut pas alors plus convenir. Pour l'étude et l'optimisation de l'organisation d'une zone, d'autres outils sont à envisager, tels que basés sur l'utilisation d'événements discrets.

De même, si l'on souhaite étudier des aspects aléatoires ou non-déterministes, comme la réaction face à une défaillance, une technique classique consiste à travailler par méthode de Monte-Carlo. Avec celle-ci, on étudie un grand nombre de fois le comportement du système face à des évènements aléatoires de sorte à vérifier que dans une proportion acceptable, le système réagit correctement. A nouveau, l'aspect temps-réel interdit (sauf cas de parallélisation) de mener à bien une telle étude nécessitant de longues durées de simulation.

### B. Notion d'échelle

Plus globalement, une notion d'échelle peut être appliquée au modélisation numérique selon la granularité temporelle des éléments pris en compte. Au plus fin, on peut être temps-réel et modéliser le système avec un écoulement du temps similaire au réel pour une étude fine du comportement de chaque objet et de chaque élément et ainsi, être proche d'un phénomène continue d'évolution des grandeurs du système. A contrario, on peut agréger et simplifier la modélisation du comportement en évènements ponctuels caractérisant le début ou la fin d'une action et permettant ainsi d'accélérer le déroulement temporel de la simulation. Des outils dédiés comme Flexim [5], permettent et sont spécialisés pour mener ce type d'études destinées à étudier un comportement sur une longue période.
# IV. EVOLUTION ET USAGE ANNEXE DU SIMULATEUR

## A. Du simulateur vers un jumeau numérique

Parallèlement au développement et à l'usage du simulateur d'infrastructure et d'équipements portuaires, le projet mené par le laboratoire vise à la réalisation d'une maquette physique et à échelle réduite (échelle HO ou 1/87ème) d'une telle infrastructure. Il comporte des grues, des AIV, un bateau, des zones de chargement/déchargement, des camions et un train avec sa voie ferrée. La figure 5, ci-après, est une photo des équipements utilisés dans la maquette physique en élaboration.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5. EQUIPEMENTS DE LA MAQUETTE PHYSIQUE, BASE D'UN POTENTIEL JUMEAU NUMERIQUE</figcaption></figure>

L'outil simulateur pourra alors évoluer d'un rôle de simulateur/émulateur pour la conception vers un rôle de jumeau numérique, c'est-à-dire fournir une reproduction virtuellement la maquette réelle.

L'apport de cette évolution est alors d'offrir aux développeurs un outil de test et de mise au point, plus pratique et plus rapide de mise en œuvre que le système réel physique. Les codes réalisés et mis au point avec le simulateur pourront alors au final être téléversés sur les équipements réels en vue de la validation du bon comportement de l'ensemble.

La difficulté de la transposition vers le jumeau numérique réside dans l'indentification du comportement réel des éléments physiques en vue de leur modélisation la plus précise et la plus exacte possible sur le simulateur. Une mise à jour continue et régulière du modèle jumeau est ainsi à réaliser de sorte à maintenir la justesse des caractéristiques de chaque éléments vis-à-vis du réel, malgré les évolutions naturelles (usure, vieillissement) ou volontaire ajout, modification ou déplacement de composants.

## B. Application pour l'enseignement

Le développement d'un tel simulateur est et fut l'occasion d'accueillir des stagiaires ou des étudiants en projet de fin d'étude d'ingénieur. La diversité des compétences requises en termes de modélisation, d'automatique, d'informatique ou de design 3D, associé à la modularité du projet (une variété d'équipements, différents types de contrôle/commande, divers représentations d'objets 3D) en font un projet particulièrement intéressant pour l'apprentissage et la formation. Aux compétences techniques, ce projet permet, aussi, d'approfondir

des compétences liées à la gestion de projet d'envergure vis-à-vis par exemple, de la coopération entre acteurs ou la capacité à permettre une capitalisation collective d'un savoir-faire.

Mais, à ceci, l'usage de ce type simulateur temps-réel peut également être employé dans l'enseignement pour le développement de la commande de processus. Ainsi, avec cette possibilité de remplacer une machine ou un équipement réel par une machine virtualisée, il est possible d'en faire la commande sans risque vis-à-vis d'un mauvais comportement tel que la collision d'outils, d'objets, de robots, de véhicules...

Cette technique s'associe également assez bien à un processus "Hardware in the Loop" où l'élément d'étude, tel que l'unité de commande, est réel et est alors un véritable équipement industriel, connecté à la partie physique simulée par l'intermédiaire d'une carte d'entrées/sortie servant d'interface. L'intérêt est aussi pour l'apprenant d'apprendre à utiliser un véritable équipement de commande alors que la partie annexe, c'est-à-dire, le reste de la machine n'est que virtuel et plus simple d'emploi.

A titre d'exemple, l'outil ITS-PLC [6] propose un environnement simulé de ce type où un véritable automate programmable industriel pourra contrôlé une machine virtuelle. La figure 6 suivante illustre l'interface de ce logiciel.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 6. UNE INTERFACE D'ITS-PLC</figcaption></figure>

## V. CONCLUSION OU BILAN

L'usage d'un simulateur de processus industriel lors de la phase de conception peut être un outil très efficace pour les activités de développement et de mise au point d'un système à concevoir. Dans le cadre du projet SPEED, ce type de simulateur vise à permettre de faciliter et d'optimiser la réalisation, le développement et la mise au point de nouveaux algorithmes et techniques de commande et de coordination d'équipements automatisés, pour les différents acteurs du projet.

Il pourra, également, accompagner une réalisation physique et en devenir son jumeau numérique, c'est-à-dire un modèle virtuel de son comportement en vue d'étudier les améliorations, les optimisations ou les évolutions possibles à moindre effort et avec un maximum d'efficacité, avant leur mise en œuvre.

Enfin, la maîtrise de cette technique des simulateurs/émulateurs permet des applications destinées à l'enseignement où la commande d'équipements lourds et
complexes peut être réalisée de façon simple et sans risque grâce à leur virtualisation.

## VI. RÉFÉRENCES

[1] "InTraDE confère un avantage concurrentiel aux ports européens", https://ec.europa.eu/regional_policy/fr/projects/france/european-ports-gain-competitive-edge-with-intrade

[2] "The Smart Ports Ecosystem of the European 2 Seas region", https://www.smartportsecosystem.com/

[3] "The game engine you waited for", https://godotengine.org/

[4] "plateforme pour la création et l'exploitation de contenu 3D interactif en temps réel.", https://unity.com/fr

[5] "Logiciel de simulation et d'analyse de flux 3D", https://www.flexsim.com/fr/

[6] " ITS PLC, Interactive Training System for PLC", https://realgames.co/its-plc/