System Engineering Approach to the Development of Urban Digital Twin

Cette thèse de doctorat constitue une petite partie d'un projet universitaire à grande échelle appelé « Augmented Campus for World Class Transition » (ACT). Ce projet vise à transformer l'Université de Bordeaux (UB) en un laboratoire vivant et un incubateur pour des projets expérimentaux afin de réaliser les transitions socio-environnementales en mobilisant la communauté, l'expertise pluridisciplinaire et les intervenants extérieurs. L'un des objectifs principaux de l'ACT est de « développer l'offre de recherche pour une prise de décision fondée sur les preuves ». À cette fin, il est nécessaire de disposer d'un outil scientifique (numérique) dans le cadre des écosystèmes urbains de l'UB, et c'est de cela que l’idée de cette thèse a émergée.Le concept de numérisation se répand dans tous les secteurs, y compris les villes « intelligentes » et les écosystèmes urbains, menant à l'émergence d’une « société intelligente ». Les systèmes numériques intègrent des données et des technologies (virtuelles), et ces systèmes se développent largement. Dans ce contexte, le Jumeau Numérique (JN) est apparu comme une approche innovante pour gérer la complexité croissante de ces systèmes en combinant l'ingénierie basée sur les données et sur les modèles. On trouve des applications pour le JN dans divers domaines, y compris les villes intelligentes, jouant un rôle crucial dans la transformation numérique des villes. En conséquence, le concept de Jumeaux Numériques Urbains (JNU) est apparu en 2017/2018 et offre l'intégration des environnements urbains physiques et virtuels.Malgré la croissance progressive des JNU depuis 2018, seules quelques villes les ont développés. Ce manque de développement des JNU est dû à (i) la complexité inhérente à l'écosystème urbain et (ii) la diversité des points de vue sur les JNU selon différentes perspectives de recherche.Cette thèse répond aux questions de recherche suivantes : (1) Comment construire efficacement des JNU holistiques intégrant des phénomènes urbains sous plusieurs perspectives à différentes échelles ? (2) Quel est le rôle et l’importance des technologies de l’information spatiale et de la modélisation urbaine 3D dans les JNU ? (3) Comment différents acteurs peuvent-ils être intégrés dans les JNU ? (4) Quelle est l'approche de l'ingénierie des systèmes qui fournit une compréhension holistique pour construire un JNU ? L'objectif général de cette thèse est de développer le JNU pour UB et qu’il puisse être capable de traiter les phénomènes urbains liés à la mobilité et à l'énergie.Les principales contributions de ce travail sont les suivantes :• Un cadre conceptuel pour les JNU : Un cadre conceptuel est proposé pour les JNU, basé sur les principes architecturaux de l'ingénierie logicielle. Il s'agit d'un cadre générique qui fournit une base réutilisable et structurée pouvant être utilisée pour la modélisation et la mise en œuvre des JNU. Il intègre plusieurs phénomènes urbains à différents niveaux et prend également en compte les intervenants à différents niveaux, ce qui fait défaut dans la littérature.• Une spécification multi-formaliste du JNU de l'UB : Il est réalisé en modélisant le JNU de l'UB en utilisant UML, SysML et HiLLS (High Level Language for System Specification), c'est-à-dire la représentation graphique de DEVS (Discrete EVent System specification). L'intégration de multi-formalismes a assuré la cohérence entre les niveaux conceptuel, architectural et opérationnel de l'implémentation, en reliant la conception descriptive du JNU de l'UB au comportement formel exécutable.• Mise en œuvre du JNU UB dans un environnement réel : Il est réalisé en utilisant l'environnement logiciel de multi-modélisation (plus précisément AnyLogic), où nous avons mis en œuvre la dimension de la mobilité et de l'énergie dans les établissements universitaires. Sa mise en œuvre et ses résultats démontrent l'applicabilité pratique et la validité du cadre proposé et de la spécification multi-formaliste.