Modéliser l’humain

Dans le cadre de la stratégie scientifique de modélisation numérique de l’être humain de l’Ifsttar, le département avait dans son projet 2017-2020 l’ambition d’apporter la dimension de “l’Homme face aux enjeux de mobilité de demain”. À cette fin, il a été proposé de positionner la problématique de modélisation de l’humain, dans ses différentes dimensions (comportement, physique, cognitif, etc.,), au centre d’un processus de conception virtuelle des « offres de mobilité » (de véhicules, d’infrastructures, d’aménagements, d’usages, etc.).

Ce processus articulé autour de la simulation numérique des usagers et de leurs pratiques futures, avait pour objectif de permettre « d’anticiper le futur » en termes de mobilité, d’usages, d’accessibilité, ou de risques potentiels. En regard des recherches sur les différentes approches de modélisation de l’humain, il s’agissait de monter d’un cran en complexité en favorisant les interactions entre les différents travaux de modélisation. Pour ce faire, la modélisation en soi de l’humain est fondamentale, mais n’a de sens que si la modélisation des autres dimensions de la mobilité interagit avec elle.

Cette idée, initialement interne à TS2, a ainsi donné naissance au projet fédérateur « Voyageur Virtuel » de l’Ifsttar qui se veut aller encore plus loin dans l’intégration des diverses approches de simulations et modélisations (modélisation du trafic, des infrastructures, simulateurs de déplacements, etc.) pour une approche systémique interdisciplinaire de la mobilité centrée sur l’humain. L’apport des équipes de TS2, autour de comment « modéliser l’humain », est donc au coeur de ce projet fédérateur.

Le projet Voyageur Virtuel, lancé en 2017, ambitionne de donner des moyens d’étudier la mobilité par une nouvelle approche permettant d’appréhender - d’une façon originale et innovante - cette question de « l’Humain face aux enjeux de mobilité de demain ». Les enjeux de la mobilité et de ses profondes modifications en cours sont multiples et traités par plusieurs départements de l’Ifsttar. Concernant spécifiquement le projet scientifique de TS2, plusieurs enjeux relatifs à cette mobilité sont décrits dans les trois Axes précédents qui sont autant de questions sociétales auxquelles TS2 envisage d’apporter des réponses dans ses domaines de compétences.

La dimension nouvelle du Voyageur Virtuel réside dans son approche virtuelle globale. La virtualisation doit permettre une ouverture du champ des possibles, quasi illimitée, que ne permet pas l’expérimentation. La mobilité actuelle est en forte évolution du fait des formes nouvelles qu’elle prend (mobilité partagée, multi-mobilité…) ou qu’elle va prendre (mobilité coopérative, robomobilité…). Si la technologie est souvent à l’origine des changements, les usagers influent de façon majeure sur le développement ou l’abandon de systèmes technologiques, leur fiabilité et leur sécurité d’usage.

Ainsi pour prédire la mobilité de demain, une approche virtuelle anthropocentrée sera d’un apport incontestable et considérable. Il s’agit d’utiliser les simulations comme terrain d’expérimentations et de développement de connaissances et in fine d’appréhender virtuellement l’humain face aux enjeux de la mobilité de demain. Le terme virtuellement s’applique à l’humain dans son entière complexité, et à l’ensemble des autres dimensions de la mobilité, des déplacements. C’est sur ce point précis que TS2 à de nombreux atouts et compétences pour le projet fédérateur autour de sa thématique propre de « modéliser l’humain ».

La question sociétale centrale posée est donc celle de l’humain face aux enjeux de la mobilité. Et ce, à travers deux questionnements simples et connexes. A savoir : comment les individus, usagers des transports et acteurs de leur mobilité, vont s’adapter aux nouveaux modes de déplacement, et même les transformer ? Comment les nouveaux modes, et usages qui en découleront, vont répondre aux demandes, besoins, capacités et attentes des usagers ? La pierre angulaire est donc l’humain usager des transports. C’est autour de la perception de sa mobilité, des usages qu’il attend des nouveaux modes de transports que se construisent le projet fédérateur et la contribution de TS2.

Les développements technologiques ou les politiques publiques doivent être guidés par les besoins et attentes des individus et ainsi répondre à la demande de la société. Celle-ci doit être éclairée par les sciences de l’ingénieur afin de mieux la formuler et l’incarner technologiquement. Un dialogue permanent doit donc s’instaurer entre chercheurs en SHS et en ST dans une approche transdisciplinaire au sein du projet fédérateur et notamment pour la modélisation de l’humain. L’enjeu technologique réside, quant à lui, dans l’arrivée massive et prochaine de véhicules à haut niveau de délégation de conduite, mais aussi de nouveaux modes de mobilité (partagés, fractionnés, collectifs, etc.) qui vont profondément changer la façon de se déplacer et les impacts de la mobilité sur la santé.

La simulation numérique pourra ainsi non seulement permettre d’appréhender la mobilité de demain, mais aussi d’en apprécier des effets positifs ou des risques, avant que ne s’engagent des pratiques de mobilité ou des processus de déploiement de technologies ou d’infrastructures coûteux et irréversibles. Considérée sous cet angle, cette démarche de simulation virtuelle systémique reposant sur l’humain « en situation de mobilité » pourra ainsi constituer un outil précieux pour l’aide aux décisions publiques (en matière de moyens de transport de demain, de véhicules du futur, d’équipements de sécurité ou d’infrastructures à venir).

Ces questions méthodologiques et applicatives, non exhaustives, devront permettre de répondre aux enjeux liés aux nouvelles mobilités et au développement massif de l’automatisation partielle ou totale des véhicules. Mais aussi de faire face aux développements nombreux des nouveaux modes de déplacements (partagés, collectifs, modes doux…), voire des applications dans le domaine de la santé.

Seuls les outils de simulation paraissent capables d’aborder la complexité et la totalité du système dynamique que représentent l’ensemble des solutions de déplacements, de générer des connaissances sur le sujet, d’analyser et anticiper les conséquences de ces solutions futures de déplacement. Il s’agit donc vraiment d’aborder la virtualisation comme un outil d’expérimentations qui viendra enrichir et compléter les autres types d’expérimentations, que ce soit les expérimentations en laboratoire qui restent nécessaires et indispensables mais sont des représentations de la réalité avec leur lot d’hypothèses et de simplifications ; ou les observations de terrain, au sein d’espaces dédiés ou non, qui limitent par leur nature les champs d’investigation, notamment l’étude de l’ensemble des scénarios critiques. L’un des avantages de la simulation est de permettre la vérification de situations observées, de réaliser des projections et des prospectives futures, ou d’imaginer et simuler de nouvelles situations hypothétiques, avec une souplesse et une versatilité quasi infinies. Puis, in fine, transférer des outils de simulation vers les industriels, les décideurs, afin de réduire les coûts et délais d’ingénierie, ou encore de prendre des décisions, et ainsi se substituer aux millions de kilomètres qu’exigeraient des tests en situation réelle/naturelle.

Ces enjeux stratégiques de modélisation et de simulation numérique de l’humain se déclinent en de nombreuses questions de recherche, présentant des verrous scientifiques majeurs. Ce sont d’une part des questions méthodologiques plutôt fondamentales, d’autre part des questions plus applicatives. Au-delà de ces perspectives scientifiques, développées plus loin, se pose la question des moyens pour la mise en place de plateformes supports, de formalismes partagés, ou d’interfaces informatiques “standardisées” entre les différents modèles et/ou outils de simulation numériques qui, compte tenu des enjeux pour l’Ifsttar, devraient pouvoir bénéficier de soutiens au-delà de notre seul département, et s’inscrire dans une stratégie plus globale à définir au niveau de l’institut.

Le projet Voyageur Virtuel est une première réponse, certes limitée, à ce besoin de moyens. Les opportunités de financement via les appels à projet de l’ISITE FUTURE, pour peu qu’on sache mobiliser des partenaires, sont une autre réponse de plus grande ampleur. De même, cette thématique de l’approche virtuelle centrée sur l’humain devrait avoir une place non négligeable dans les appels à projet du FP9. Enfin, le développement des collaborations industrielles autour de la simulation du comportement humain est un atout fort pour le projet scientifique.

Evidemment, ceci n’est vrai que si l’on dispose de modèles avec une validation très élevée. La validation des modèles est une question de recherche en soi. De plus, tout comme les expérimentations, les modèles numériques, aujourd’hui, comportent leur lot de simplifications et d’hypothèses. Développer de tels outils de simulation passe donc par des recherches importantes et innovantes en modélisation pour franchir une étape majeure et entrer dans une dimension de « réalité virtuelle ».

Plusieurs de ces modèles, dont certains à des stades de maturité avancés, existent et sont extrêmement bien positionnés vis-à-vis de la concurrence internationale, avec déjà une forte visibilité. Que ce soit la VHCD développée au Lescot qui intéresse de nombreux industriels et s’appuie sur la collaboration avec un éditeur de logiciel majeur. Que ce soit également le modèle biomécanique du corps humain GHMBC, auquel le LBMC a contribué, qui est en train de devenir la référence mondiale pour les simulations de crash. Il en est de même de certains outils de simulation associés tels que les outils de positionnement et de personnalisation PIPER également développés au LBMC. D’autres ont un fort potentiel que ce soit en ergonomie, analyse du mouvement ou traumatologie.

Malgré ces nombreux atouts et un positionnement fort et reconnu, ces modèles et outils restent encore, par rapport à l’ambition du projet de département en cours, trop centrés sur leur niche d’exploitation. Il y a encore trop peu d’interactions entre eux. Ceci est probablement lié à des problématiques de moyens, d’opportunités, de développement des modèles ou autres qu’il conviendra d’analyser. Ceci étant, en parallèle de la poursuite indispensable des recherches en matière de modélisation de l’humain, il s’agit donc de mettre en oeuvre une démarche transversale reposant sur des moyens de simulation numérique multimodèles qui pourrait ouvrir la voie à une méthodologie de « conception virtuellement assistée » fondée non seulement sur les compétences scientifiques de chacun, mais surtout sur des compétences « multimétiers » partagées.

Dans cette perspective, il s’agit de s’orienter vers une démarche de modélisation systémique, permettant non seulement d’appréhender l’humain dans sa complexité et sa diversité naturelle via les différents modèles « supports » en interaction, mais aussi d’apprécier virtuellement – en regard des évolutions actuelles ou futures en matière de mobilité - des environnements (véhicules, infrastructures, etc.), des situations (trafic, aléas climatiques, etc.), des interactions (cohabitation véhicules standard-autonomes, véhicule autonome ou automatisées vs autres usagers…), ou des risques induits par les pratiques ou les moyens de déplacement de demain (évolution des facteurs d’accidents et de typologie de ces derniers).

Ce projet scientifique pose plusieurs questions d’ordre fondamental :
- Quelles données peuvent être échangées entre les types de modélisation ? Il s’agira ici de définir, plus particulièrement, des méthodologies et techniques informatiques pour l’interfaçage d’outils de simulations numériques, et pour la constitution de bases de données mutualisées.
- Appréhender l’humain dans son ensemble : chaque modèle est solide sur certains aspects de la modélisation de l’humain, mais souvent simplificateur pour d’autres dimensions. Il s’agira de consolider les modèles existants et de les rendre compatibles entre eux. Cela passera, par des recherches conjointes sur le comportement et la biomécanique des usagers.
- Des modèles « en interaction » faisant émerger de nouvelles questions de recherche plus transversales et transdisciplinaires, les interactions entre modèles de l’être humain et des modèles de véhicules, des modèles d’infrastructure, de prédiction de blessure, de trafic pourront être créés …

D’autre part, des questions plus applicatives :
- Les travaux de conception d’habitacles, de systèmes d’aide à la conduite ou d’équipements de sécurité, pourraient être appréhendés de façon plus globale en s’appuyant sur l’interconnexion des modèles de simulations numériques utilisés par chacun. Ces applications, à fort potentiel d’innovations, intéressent déjà plusieurs industriels.
- La conception d’infrastructure via la modélisation et la simulation des nouveaux usages et de la sécurité pourra également être abordée selon les mêmes principes.
- La virtualisation permettrait de modéliser/simuler l’accident dans sa globalité temporelle : avant/pendant/après et selon une approche systémique personne/véhicule/environnement incluant tous les facteurs de sa survenue, les conditions d’accidents, la cartographie lésionnelle jusqu’à la prédiction des conséquences sanitaires de l’accident.
- Ou dans le cas des véhicules à délégation de conduite, la virtualisation permettrait, via une plateforme de simulation numérique, la conception virtuelle centrée sur l’humain de copilotes intelligents et de futurs systèmes d’automatisation de la conduite.

Ces questions méthodologiques et applicatives, non exhaustives, devront permettre de répondre aux enjeux liés aux nouvelles mobilités et au développement massif de l’automatisation partielle ou totale des véhicules. Mais aussi de faire face aux développements nombreux des nouveaux modes de déplacements (partagés, collectifs, modes doux…), voire des applications dans le domaine de la santé.