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Sujet de Thèse : matériaux communicants et BIM : étude des problèmes de gestion des données distribuées
Dates : 2017/10/01 - 2020/09/30
Directeur(s) CRAN : William DERIGENT , André THOMAS
Description : I. Contexte de la thèse
Le projet ANR McBIM (Matière communicante au service du BIM) a deux objectifs principaux : 1) concevoir un « préfabriqué communicant », constitué de béton équipé avec un réseau de micro-nœuds de capteur à basse consommation, capable de gérer et d’échanger des données avec une plateforme BIM, et 2) de démontrer l’utilité de ce nouveau concept intégrant matériau communicant et BIM sur deux phases du cycle de vie d’un bâtiment, qui sont la phase de construction (où la matière serait utilisée pour faire du suivi de projet) et la phase d’exploitation (pour faire de la surveillance de structure).
Le CRAN étudie depuis 2009 le concept de « matériaux communicants », qui sont des matériaux capables de communiquer avec leur environnement et de traiter, échanger et de stocker des données dans leur structure interne. Les plate-formes BIM (pour Building Information Modelling) permettent de définir et de gérer des modèles ainsi que des données de bâtiment (documents, modèles 3D/4D/xD). Actuellement, le BIM est principalement utilisé dans les phases de conception et fabrication et peu de travaux s’intéressent au rapprochement possible entre les réseaux de capteurs, et plus largement les objets communicants du bâtiment, et le BIM.

II. Objectifs de la thèse et problèmes scientifiques associés
L’objectif de cette thèse est d’appliquer le concept de « matériaux communicants » dans le contexte du project McBIM, et de proposer des méthodes et outils pour disséminer/rechercher des informations complexes, respectant les standards du BIM, dans un système d’information intégrant le réseau de matériaux communicants (dans notre contexte, des préfabriqués communicants) et la maquette numérique du bâtiment.
Deux thèses du CRAN (S. Kubler en 2012[1], K. Mekki en 2016 [2]) ont déjà traité certains aspects de la gestion des données dédiée aux matériaux communicants. La présente thèse se propose d’adresser les problèmes détaillés ci-après :

- Dissémination/Recherche de données :
Les stratégies de dissémination/recherche de données développées lors de la thèse de K. Mekki ont été validées en utilisant de la simulation, mais une expérimentation réelle est nécessaire. De plus, dans nos travaux précédents, ces techniques ont seulement traité la dissémination d’un paquet, sans réelle sémantique. Dans le project McBIM, le béton communicant aura à gérer des données complexes, liées à la traçabilité et à la logistique (composition, usine d’origine, marquage CE, …) ou à la surveillance du bâtiment (température, humidité, fissures,…) et aura peut-être à répondre à des requêtes complexes. Ainsi, les algorithmes de dissémination et de recherche d’information doivent aussi considérer des méta-données.

- Gestion des données distribuées :
Dans cette partie de la thèse, l’objectif est d’augmenter les services rendus aux intervenants des phases de production, chantier et usage par la mise à disposition d’un système de gestion de données, intégrant le réseau de matériaux communicants et la maquette numérique. Ce système de gestion de données s’appuie sur une architecture hybride, intégrant une partie centralisée autour de la maquette numérique, et des parties nécessairement distribuées sur les éléments de construction (par exemple le marquage CE). La gestion des données produit disséminées sur un réseau d’objets communicants est un sujet d’intérêt pour les communautés génie industriel, réseaux de capteurs et multi-agents. [3], [4]soulignent l’intérêt des architectures distribuées car elles réduisent le phénomène de « surcharge de données » ainsi que l’énergie nécessaire au traitement/transport de la donnée. La structuration de cette architecture est encore un problème scientifique ouvert. Ainsi, la thèse conduira à une étude poussée sur la littérature existante dans les différentes communautés, et s’attachera à définir la ou les architectures les plus pertinentes pour le projet McBIM. L’impact de nouvelles technologies issues de l’Internet of Things (LoRa, Sigfox,etc) sera considérée.

- Interopérabilité avec le BIM :
Les modèles de données stockés dans le béton communicant devront permettre un échange de données efficace et une intégration avec les plateformes BIM. Dans le contexte de cette thèse, cette interopérabilité sémantique sera assurée en utilisant des standards du BIM tels que IFC ou IFC OWL [5]. Ce choix sera réalisé en cohérence avec les autres partenaires du projet McBIM.

III. Planification de la thèse
- M1-M6 : état de l’art sur la dissémination/recherche de données et sur les architectures de gestion de données distribuées
- M6-M18 : Conception et expérimentation d’algorithmes de dissémination/recherche de données
- M18-M30 : Conception et expérimentation d’architectures de gestion de données distribuées
- M30-M36 : Rédaction de la thèse et présentation orale

IV. Bibliographie
[1] S. Kubler, “Premiers travaux relatifs au concept de matière communicante : Processus de dissémination des informations relatives au produit,” Université de Lorraine, 2012.
[2] K. Mekki, “Gestion de l’information embarquée dans des matériaux communicants à l’aide de protocoles de réseaux de capteurs sans fil,” Université de Lorraine, 2016.
[3] O. Diallo, J. J. P. C. Rodrigues, M. Sene, and J. Lloret, “Distributed database management techniques for wireless sensor networks,” IEEE Trans. Parallel Distrib. Syst., vol. 26, no. 2, pp. 604–620, 2015.
[4] J. C. Da Silva, C. Giannella, R. Bhargava, H. Kargupta, and M. Klusch, “Distributed data mining and agents,” Eng. Appl. Artif. Intell., vol. 18, no. 7, pp. 791–807, 2005.
[5] W3C Linked Building Data Community Group, “IfcOWL ontology file added for IFC4_ADD1,” 2014.
Mots clés : matière communicante; gestion de données distribuées; réseaux de capteurs; maquette numérique
Conditions : Durée : 3 ans
Lieu : CRAN, Nancy
Profil du candidat:
Nous recherchons un candidat titulaire d’un master en génie industriel/génie informatique possédant au moins 2 compétences de la liste ci-dessous :
- Système d’information, modélisation de données (XML/UML), modélisation d’ontologies;
- Système multi-agents;
- Réseaux de capteurs sans fil.
Une bonne maîtrise de la langue anglaise, à la fois orale et écrite, est requise. Pour cela une certification du niveau d’anglais (TOEIC, TOEFL, …) sera demandée. Une expérience en modélisation de données BIM, sur des plateformes BIM ou en gestion des opérations de production ou de chantier serait un plus.

Les candidatures sont à envoyer à: william.derigent@univ-lorraine.fr et andre.thomas@univ-lorraine.fr.
Elles devront à minima contenir un CV détaillé comprenant les notes de M1 et M2, le candidat étant libre d’ajouter toute pièce complémentaire jugée utile (lettres de recommandation, références, …).
Département(s) :
Ingénierie des Systèmes Eco-Techniques
Financement : contrat doctoral - projet ANR McBIM