Simulation immersive

Présentation

Le lab­o­ra­toire Heudi­asyc dis­pose d’une salle immer­sive de réal­ité virtuelle dédiée à la recherche dans le domaine des inter­ac­tions infor­mées. Ce CAVE™ (Cave Auto­mat­ed Vir­tu­al Envi­ron­ment) à qua­tre faces est une salle immer­sive cubique qui peut être ouverte pour devenir un cave à 3 faces.

Cette plate­forme a été cofi­nancée par le Fonds européen de développe­ment économique et région­al (FEDER) 2014–2020 et par la région Hauts-de-France. L’in­stal­la­tion s’est ter­minée en mars 2017.

Description technique

La plate­forme a deux configurations :

Premier mode

• CAVE 4 faces (forme en U )
• 3 écrans en verre (3.4 m x 2.5 m)
• Sol peint (3.4 m x 3.4 m)

Deuxième mode

• CAVE 3 faces (forme en L)
• 2 écrans en verre (3.4m x 2.5 m + 6.8 m x 2.5 m)
• Sol peint (7 m x 3.4 m)

Caractéristiques

• 4 Pro­jecteurs 3D Christie Mirage 1920x1200
• HP Z840 avec 2 Nvidia M5000
• 20 x Vol­foni RF lunettes stéréo­scopiques actives
• 10 caméras Opti­track autour du CAVE
• Wand PS Move, Leap Motion, Raz­er Hydra
• 5.1 sur­round

Casques

• HTC Vive, HTC Vive pro 2, Meta Quest 2

Projets

• Equipex+ Con­tin­u­um (2021–2029) : 37 équipes de recherche dévelop­pent des recherch­es de pointe axées sur la visu­al­i­sa­tion, l’immersion, l’interaction et la col­lab­o­ra­tion, ain­si que sur la per­cep­tion, la cog­ni­tion et le com­porte­ment humains en réal­ité virtuelle/augmentée.
• ANR MATCH (2022–2026) : Mod­u­la­tions mul­ti­sen­sorielles et affec­tives du touch­er : inter­ac­tion et inten­tion­nal­ité. L’ob­jec­tif est de com­pren­dre la sen­sa­tion d’être touché par un agent autonome incarné.
• SOCIALTOUCH (2017–2022) : Com­pren­dre, con­cevoir et éval­uer la modal­ité tac­tile dans les inter­ac­tions homme-machine sociales.

• Pilotage de drones : Pilotage d’un drone réel à dis­tance grâce à une métaphore com­plexe manip­ulée dans un envi­ron­nement virtuel.

• KIVA (2014–2017 FEDER et région Picardie) : KIVA est un envi­ron­nement virtuel de for­ma­tion au geste tech­nique. Ce pro­jet, réal­isé en parte­nar­i­at entre l’UTC (lab­o­ra­toire Heudi­asyc), Revi­at­e­ch et Mon­tu­pet, vise à for­mer un futur opéra­teur de Mon­tu­pet à l’exécution de séquences de gestes tech­niques rel­a­tives à dif­férents postes de tra­vail. Un mod­èle d’apprentissage sta­tis­tique iden­ti­fie le geste effec­tué par l’utilisateur en temps réel et mesure la qual­ité du geste par rap­port à des gestes experts (niveau d’expertise, erreurs com­mis­es). Un mod­èle de déci­sion pro­pose ensuite un retour appro­prié pour l’utilisateur en se bas­ant sur les résul­tats du mod­èle d’apprentissage, et des con­nais­sances sur l’apprenant au moyen d’une métaphore adaptative.

• Chaire Sur­faces intel­li­gentes pour le véhicule du futur : Util­i­sa­tion de la réal­ité aug­men­tée pour la reprise en main d’un véhicule semi-autonome.

• LEON (2017- 2020, région Picardie) : LEON est un pro­jet porte par le lab­o­ra­toire de psy­cholo­gie de l’UPJV visant à éval­uer l’impact de la for­ma­tion en envi­ron­nement virtuel par immer­sion dans un CAVE com­par­a­tive­ment à l’immersion dans un casque.

Collaborations

• ISIR UMR CNRS : Pro­jets ANR Social Touch & ANR Match.
• Revi­at­e­ch : Pro­jet région KIVA
• ESAD Amiens
• Costech
• BMBI : Expéri­men­ta­tion de con­duite de nuit pour une thèse por­tant sur l’endormissement au volant.

• Saint-Gob­ain : Chaire sur­faces intelligentes

International

• Sum­mer school – réal­ité virtuelle et créa­tion artis­tique dig­i­tale : la plate­forme reçoit sur 2 semaines des étu­di­ants venant de l’international pour une sum­mer school axée sur la réal­ité virtuelle au ser­vice de la créa­tion artistique.

Formations

La plate­forme est égale­ment util­isée pour l’enseignement dans dif­férentes UV.

RV01 / AI38 (apprentissage) : Développement d’application de réalité virtuelle

Les objec­tifs de l’UV sont de famil­iaris­er les étu­di­ants avec les con­cepts de l’informatique graphique, d’optimisation 3D temps réel, de réal­ité aug­men­tée, et d’interfaces sen­sori-motri­ces. L’apprentissage de la pro­gram­ma­tion de scripts d’interaction est réal­isé à l’aide d’un moteur 3D (Uni­ty). Les étu­di­ants doivent égale­ment inter­fac­er leur pro­jet avec les sys­tèmes de réal­ité virtuelle de la salle immer­sive et de présen­ter quelques tech­niques d’interaction 3D. L’UV dis­pose d’une chaine Youtube dédiée per­me­t­tant de présen­ter tous les pro­jets étu­di­ants réal­isés au fil des années sur la plate­forme de sim­u­la­tion immer­sive : UV RV01 de l’UTC

Le niveau niveau atteint par les étu­di­ants qui suiv­ent l’UV se con­cré­tise par les trophées Laval vir­tu­al ou le con­test IEEE 3DUI :

• “NEBULAE”, M. Mewen, A. Neveu, F. Jeanne, Vir­tu­al Fan­ta­sy – Demos – Laval Vir­tu­al 2017
• “Rev­ell”, T. Dela­lande, A. Del­val, F. Jeanne, Vir­tu­al Fan­ta­sy – Demos – Laval Vir­tu­al 2016
• “Won­der­land Builder”, C.Barot &al, 2nd prize, 3DUI IEEE Con­test, Orlan­do, USA 2013 avec une pub­li­ca­tion (C. Barot et al., “The Won­der­land Builder: Using sto­ry­telling to guide dream-like inter­ac­tion,” 2013 IEEE Sym­po­sium on 3D User Inter­faces (3DUI), Orlan­do, FL, 2013, pp. 201–202.)

ICX06 :Interaction et systèmes complexes

Cette UE est des­tinée à des étu­di­ants en design, ergonomie et infor­ma­tique qui souhait­ent con­cevoir des inter­ac­tions inno­vantes. Le cours est cen­tré sur les modal­ités d’interaction, leurs formes et les inter­faces inno­vantes en envi­ron­nement numérique de façon large. Il com­porte un aspect méthodologique d’évaluation de l’interaction et une mise en œuvre de cette éval­u­a­tion sur des pro­jets com­muns avec des étu­di­ants ingénieurs.

Communication

• Livre « Metavers : où en sommes-nous aujourd’hui ? » EPSILON DAY – Pub­li­cis Févri­er 2022
• Plusieurs arti­cles sont parus dans le jour­nal Inter­ac­tion UTC :
  • Dossier « L’intéraction entre le monde réel et le monde virtuel » – N°55 Juin 2021« Le lab­o­ra­toire Heudi­asyc et le cock­pit mul­ti­sen­soriel » – N°59 Févri­er 2023« L’UTC au cœur de la réal­ité virtuelle » – Arti­cle web
  • Arti­cle web : « Immer­sion dans la réal­ité virtuelle »

Présentation de la plateforme

Pour con­tribuer à son développe­ment, le lab­o­ra­toire HEUDIASYC accueille trois plate­formes dédiées aux appli­ca­tions fer­rovi­aires dans le cadre d’études et de pro­jets de recherch­es sur la sûreté de fonc­tion­nement et l’analyse du fac­teur humain :

• un sim­u­la­teur d’un poste de super­vi­sion de traf­ic fer­rovi­aire ;
• un sim­u­la­teur de con­duite sous sig­nal­i­sa­tion nor­mal­isée européenne ERTMS/ETCS ;
• un sim­u­la­teur de développe­ment de train autonome.

Les pro­jets de recherche sont effec­tués par les mem­bres de l’équipe autour de l’analyse des fac­teurs humains (com­porte­ment des super­viseurs ou con­trôleurs, et des con­duc­teurs). Les plate­formes ser­vent de sup­ports aux doc­tor­ants dans le cadre de thès­es por­tant égale­ment sur le fac­teur humain et la rela­tion Homme/machine.

Le sim­u­la­teur de train autonome est dédié aux travaux de recherche liant sureté de fonc­tion­nement et intel­li­gence arti­fi­cielle embar­quée, en parte­nar­i­at avec l’IRT Raile­ni­um dans le cadre du pro­jet Train Fret Autonome.

La for­ma­tion sur sim­u­la­teurs est dédiée aux pro­fes­sion­nels en for­ma­tion con­tin­ue dans le cadre du mas­tère spé­cial­isé Sys­tèmes de Trans­ports Fer­rovi­aires et Urbains en parte­nar­i­at avec l’ENPC et les dif­férents acteurs indus­triels du monde fer­rovi­aire. De plus, vu l’importance de nos plate­formes, les sim­u­la­teurs ser­vent de démon­stra­teurs pour les nom­breuses vis­ites d’industriels et d’institutionnels.

La plate­forme est donc util­isée pour la recherche, ain­si que pour l’enseignement, en per­me­t­tant la val­i­da­tion sur sim­u­la­teurs de scé­nar­ios iden­ti­fiés de manière théorique par les approches inté­grées d’analyse en sûreté de fonc­tion­nement de sys­tèmes sociotechniques.

Nos tutelles :

• CNRS
• Uni­ver­sité de Tech­nolo­gie de Compiègne

Nos partenaires

• Région Hauts-de-France
• Union Européenne (FEDER)
• IFSTTAR (Insti­tut Français des Sci­ences et Tech­nolo­gies des Trans­ports, de l’Aménagement et des Réseaux) : L’IFSTTAR pos­sède le même sim­u­la­teur ERTMS/ETCS que notre plate­forme. Les deux sim­u­la­teurs sont con­necta­bles et peu­vent jouer des sim­u­la­tions en coopéra­tions pour des tests de super­vi­sion com­prenant plusieurs PCC et des RBC réparties.
• LAMIH (Lab­o­ra­toire d’Automatique, de Mécanique et d’Informatique Indus­trielles et Humaines – Uni­ver­sité de Valen­ci­ennes et du Hain­aut-Cam­bré­sis) : Parte­nar­i­at de pro­jets de recherche (Thès­es)
• Hitachi Rail STS : Leader inter­na­tion­nal de la sig­nal­i­sa­tion fer­rovi­aire et de sys­tèmes inté­grés pour le trans­port de pas­sager et le fret fer­rovi­aire. Hitachi STS est le fab­ri­cant de notre sim­u­la­teur de super­vi­sion fer­rovi­aire et est un parte­naire act­if dans les cours du mas­tère en trans­port urbain et ferroviaire.
• ENPC (Ecole Nationale des Ponts et Chaussées) : parte­naire et coor­di­na­teur du mas­tère spé­cial­isé Sys­tèmes de Trans­ports Fer­rovi­aire et Urbains.
•  IRT Raile­ni­um : Insti­tut Tech­nologique de la recherche fer­rovi­aire, parte­naire dans dif­férents pro­jets de recherch­es (thès­es) et pro­jets industriels.

Simulateur ERTMS/ETCS

Le simulateur de conduite ERTMS

Le sim­u­la­teur de con­duite ERTMS (Euro­pean Rail Traf­fic Man­age­ment Sys­tem) est dévelop­pé par la société ERSA. Il est con­sti­tué d’une sta­tion de con­trôle des scé­nar­ios, de qua­tre postes de con­duites, dont deux dis­posent d’une visu­al­i­sa­tion en 3D sur deux sta­tions distinctes.

La pos­si­bil­ité d’avoir jusqu’à qua­tre con­duc­teurs simul­tané­ment dans un même scé­nario fait de ce sim­u­la­teur est un des plus impor­tants d’Eu­rope au niveau académique. La plu­part des lab­o­ra­toires de recherche et des uni­ver­sités ne dis­posent générale­ment que d’un ou deux postes de conduites.

Interface Homme-Machine (DMI)

Le sys­tème ERTMS/ETCS est conçu en respect de la base­line 2 de la Com­mis­sion européenne ERTMS/ETCS. Le sim­u­la­teur per­met de repro­duire les affichages de sig­nal­i­sa­tion en cab­ine issus de l’ETCS (Euro­pean Train Con­trol Sys­tem) sur un DMI (Dis­play Machine Inter­face) tel que cela se pro­duit dans un train réel équipé ERTMS.

Système ETCS

Le sys­tème ETCS du sim­u­la­teur com­porte un mod­ule d’af­fichage des courbes du pro­fil de vitesses de la ligne qui per­met de voir graphique­ment les change­ments de vitesse cal­culés pour une autori­sa­tion de mou­ve­ment don­née. Il est égale­ment pos­si­ble d’af­fich­er les logs des trans­mis­sions RBC. (Ces affichages n’ex­is­tent pas sur les ETCS réels.)

Poste préparateur

Le poste du pré­para­teur permet :

• de créer les plans de voies sur lesquels les trains vont circuler,
• de définir les événe­ments suc­ces­sifs qui vont com­pos­er les scénarios,
• de super­vis­er la cir­cu­la­tion des trains lors du déroule­ment de scénarios.

Les plans de voies des scé­nar­ios sont con­fig­urables à volon­té, tant dans leurs car­ac­téris­tiques (longueur, type de voie, nom­bre de voies par­al­lèles, pro­files de courbes, pro­files de vitesses, élec­tri­fi­ca­tion, types de sig­naux lumineux, pan­neaux latéraux, etc.) que dans leur envi­ron­nement (nom­bre de gares, envi­ron­nement d’évo­lu­tion (cam­pagne, ville, foret, etc.)). Il en va de même avec les trains qu’il est pos­si­ble de simuler. Le sys­tème per­met de con­fig­ur­er les car­ac­téris­tiques de chaque train (poids, accéléra­tion, freinage, iner­tie, longueur, élec­tri­fi­ca­tion sup­port­ée, etc.). Les scé­nar­ios peu­vent être joués de façon entière­ment manuelle (super­vi­sion, réser­va­tion des can­tons, autori­sa­tions de mou­ve­ment, con­duite des trains), ou totale­ment (ou par­tielle­ment) automa­tique. Dans le cas de scé­nar­ios en con­duite automa­tique, il est à prévoir d’établir des tables horaires pour que la cir­cu­la­tion des trains soit effective.

Rendu 3D

Afin d’obtenir un ren­du de sim­u­la­tion le plus fidèle pos­si­ble à la réal­ité, la plate­forme est équipée de deux postes dédiés aux ren­dus de scènes en 3D. Lors de l’exé­cu­tion des scé­nar­ios, ces deux postes affichent une vue depuis la cab­ine d’un des trains en cir­cu­la­tion. Une vue libre, dirige­able au clavier est égale­ment possible.

Supervision ferroviaire

Supervision de trafic ferroviaire

Le sim­u­la­teur de super­vi­sion de traf­ic fer­rovi­aire, ou RCCS (Route Con­trol Cen­tre Sys­tem), est dévelop­pé par la société Hitachi STS (ex-Ansal­do STS). Ce sys­tème est une repro­duc­tion fidèle du cen­tre de super­vi­sion d’Ash­ford, où se trou­ve la salle de régu­la­tion de la ligne « High Speed One » en Angleterre (LGV reliant Lon­dres-Saint-Pan­cras à Eurotunnel).

Le sim­u­la­teur est com­posé de cinq sta­tions de travail :

• un con­trôleur de simulation
• deux sig­naleurs (ou aiguilleurs)
• un super­viseur
• un main­teneur

Chaque sta­tion est con­nec­tée à une machine virtuelle sim­u­lant le serveur réel d’ex­ploita­tion tel qu’il se trou­ve à Ashford.

Postes de signaleurs

Les deux postes de sig­naleurs per­me­t­tent une visu­al­i­sa­tion rapi­de et pré­cise de tous les évène­ments de la ligne. Les sig­naleurs ont le con­trôle des itinéraires réservés par les trains ain­si que la posi­tion exacte de ces derniers, l’ensem­ble des équipements sols de la ligne, les sig­naux et les aigu­illes ain­si que leur état ou posi­tion, l’oc­cu­pa­tion des quais, etc. La réser­va­tion des itinéraires est automa­tique­ment gérée par le sys­tème ARS (Auto­mat­ic Route Set­ting) en fonc­tion des la pro­gram­ma­tion des trains (horaire, type, arrêts, etc.), mais les opéra­teurs peu­vent inter­venir à tout moment en mode manuel.

Interface du superviseur

L’in­ter­face du super­viseur (ou table horaire) per­met de visu­alis­er l’ensem­ble du traf­ic fer­rovi­aire dans l’e­space et le temps. Le graphique représen­té est généré en fonc­tion de la pro­gram­ma­tion de la journée d’ex­ploita­tion. La dif­fi­culté de cette ligne réside dans le fait que les TGV Eurostar (courbes ros­es) évolu­ent sur les mêmes voies que les trains de ban­lieue (courbes bleues), beau­coup plus lents. Cette inter­face per­met égale­ment de visu­alis­er ou de mod­i­fi­er très rapi­de­ment l’it­inéraire d’un train. La mod­i­fi­ca­tion sera ensuite prise en compte par l’ARS.

Interface du mainteneur

L’in­ter­face du main­teneur per­met de visu­alis­er l’ensem­ble des alertes matériel et sys­tème, comme les pannes d’aigu­ille, de sig­naux, la perte de liai­son avec un train, etc.

Simulateur de train fret autonome

Le simulateur de train fret autonome

Dans le cadre du pro­jet Train Fret Autonome, en parte­nar­i­at avec l’IRT Raile­ni­um, le lab­o­ra­toire s’est équipé d’un sim­u­la­teur de train autonome au print­emps 2019. Cet équipement fait par­tie du pro­gramme CPER, financé par la région Hauts-de-France et le FEDER. Le sim­u­la­teur est une réal­i­sa­tion d’Ok­tal Sydac, du groupe Sogé­clair et il est, à notre con­nais­sance, le pre­mier du genre en Europe.

Le sim­u­la­teur est basé sur un mod­èle des­tiné à l’ap­pren­tis­sage de la con­duite de train pour les con­duc­teurs SNCF pour garan­tir la con­for­mité de la sig­nal­i­sa­tion et le fonc­tion­nement des équipements de bord. Le logi­ciel de sim­u­la­tion est mod­i­fié pour inté­gr­er les élé­ments essen­tiels au développe­ment d’un ATO (Auto­mat­ic Train Oper­a­tion) et per­me­t­tre cette appli­ca­tion tierce d’in­ter­a­gir avec le train et son environnement.

Le pupitre de conduite et ses systèmes

Le pupitre de con­duite repro­duit fidèle­ment les com­man­des d’une motrice fer­rovi­aire en mêlant des com­man­des physiques et des com­man­des virtuelles sur deux écrans tac­tiles. Des bou­tons bista­bles addi­tion­nels con­fig­urables per­me­t­tent d’in­ter­a­gir avec l’ap­pli­ca­tion tierce (ATO). De ce fait, le train simulé peut être con­duit manuelle­ment, par­tielle­ment autonome (util­i­sa­tion d’ADAS) ou pleine­ment autonome. Il est équipé des sys­tèmes de sig­nal­i­sa­tion embar­qués KVB, TVM et ERTMS/ETCS (niveau 1 et 2), ain­si, que des sys­tèmes de sécu­rité stan­dards : RSO, DAAT, SAL et SAR.

Scénarisation

Le sim­u­la­teur est totale­ment con­fig­urable. Les lignes sont édita­bles pour répon­dre à tous les cas de fig­ure. La sig­nal­i­sa­tion au sol est con­forme aux stan­dards français et regroupe la majeure par­tie des élé­ments de la sig­nal­i­sa­tion mécanique, fixe et lumineuse. Une bib­lio­thèque d’élé­ments de décors 3D per­met d’étof­fer les lignes et de faire évoluer le train dans dif­férents milieux. 

Le sys­tème de ges­tion des évène­ments per­met de génér­er dif­férents types de sit­u­a­tion et d’aléas :

• Change­ment météorologique (dégagé, nuageux, plu­vieux, neige, brume, brouillard)
• Évo­lu­tion du scé­nario à divers­es heures de la journée (jour et nuit sur 24h)
• Appari­tion d’ob­jet 3D sur la voie (obsta­cles : rocher, voiture, pié­tons, ani­maux, arbre couché, etc.)
• Pannes de signaux
• Anom­alies sur le con­voi (train prin­ci­pal, train lièvre ou croiseur)
• Panne d’équipements bord

Les trains peu­vent être de dif­férentes com­po­si­tions, en nom­bre et type de wag­ons. Des cap­teurs virtuels peu­vent être instal­lés sur le train prin­ci­pal. Nous dis­posons des cap­teurs prin­ci­paux pour la robo­t­ique autonome : GPS, radar, lidar, caméra, caméra nocturne.