Approches déclaratives et participatives pour les jumeaux numériques

Les promesses des jumeaux numériques sont nombreuses [1]. Grâce à une intégration de données venant de sources variées (capteurs, véhicules, …), ils permettent de modéliser des systèmes complexes, hybrides et géo-référencés comme par exemple une usine en fonctionnement, une ville en expansion, un réseau d’écoulement fluvial, etc. Ainsi, les jumeaux numériques s’inscrivent dans la famille des outils d’aide à la décision, en offrant en particulier des capacités de simulation de scénarios (analyse what-if). En dehors de ces aspects techniques, un jumeau numérique fidèle constitue également un outil de communication et de compréhension partagée d’un territoire.

Cependant, en raison de leur jeunesse, les jumeaux numériques souffrent de plusieurs limitations. D'une part, leur développement repose encore sur des méthodes de programmation bas niveau, où chaque détail doit être explicité. Cette approche rend le développement coûteux et difficile à vérifier et maintenir. D'autre part, les jumeaux numériques existant s'appuient essentiellement sur des données issues de dispositifs matériels, typiquement des capteurs. En cela, ils négligent un aspect important : les populations humaines vivant au contact de l'objet simulé (une ville, un territoire, ...).

Dans cette thèse, nous souhaitons prendre en compte ces deux limitations, au moyen de techniques développées dans la communauté de la gestion des données, selon deux questionnements.

1)  Les approches déclaratives utilisées en gestion de données (langages SQL, GQL, ...) et leur formalisation (algèbre relationnelle, datalog, requêtes de chemin régulières,...) sont-elles a même de capturer les éléments essentiels de la modélisation et de l'exécution d'un jumeau numérique ? En d'autres termes, est-il possible de spécifier entièrement un jumeau numérique au moyen de règles plutôt que de programmes procéduraux ? En cas de succès, l'approche fournirait ainsi une passerelle élégante entre la conception d'un jumeau numérique et la gestion des données censées nourrir son fonctionnement.

2) Plus récemment, des systèmes de gestion de données participatives (crowd management systems [2]) ont été proposés pour situer le participant humain au cœur de la production de données. Il est alors légitime de se demander si de telles approches permettent également d'enrichir le jeu de données utilisé par un jumeau numérique, au moyen de contributions humaines (sondages), idéalement déclenchées au fur et à mesure de l'évolution du système (sondages dynamiques permanents). Cette prise en compte de participants humains permettrait d'aller au- delà du capteur passif.

La thèse sera découpée en 6 étapes : 1) étude bibliographique sur les approches déclaratives en gestion de données et en simulation, les jumeaux numériques, les techniques de sciences participatives; 2) choix d'un cas d'usage significatif avec un jumeau numérique de référence (portant par exemple sur les moyens de transports d'une ville comme Rennes); 3) modélisation sous forme de règles déclaratives d'un tel système; 4) réalisation d'une preuve de concept pour son évaluation en terme de précision/performance; 5) ajout de mécanismes d'interaction avec une cohorte de participants;  6) évaluation de la dynamicité du jumeau numérique avec ces nouvelles données (par exemple, modification des choix de transports selon changement météorologique).

[1] Imane Jeddoub, Gilles-Antoine Nys, Rafika Hajji, Roland Billen, Digital Twins for cities: Analyzing the gap between concepts and current implementations with a specific focus on data integration, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, Volume 122, 2023

[2] Fan, J., Zhang, M., Ooi, B.C. Crowd Database Systems. In: Liu, L., Özsu, M.T. (eds) Encyclopedia of Database Systems. Springer, New York, NY., 2018.