La plateforme EDStar
Formulation statistique et calcul au service de l'ingénierie énergétique
Le démonstrateur
Des entrées étagées
La plateforme EDStar
Formulation statistique et calcul au service de l'ingénierie énergétique
EDStar est une plateforme de calcul scientifique pour l'analyse et le dimensionnement de systèmes énergétiques. Elle accueille des équipes projet ayant atteint les limites des stratégies de calcul déterministes usuelles et souhaitant explorer des alternatives statistiques .
Elle dispose des moyens humains et logiciels nécessaires à la reproduction, dans le domaine énergétique, sur des temps courts, des succès récents de l'informatique graphique lors de sa transition du déterministe vers le statistique. Pour la synthèse d'images dans l'industrie cinématographique, l'objectif du Teapot in a stadium 12 est aujourd'hui atteint. Les outils de production industrielle d'images de synthèse physiquement réalistes permettent effectivement de rendre compte de la quasi-infinité des rapports d'échelles, e.g. entre la petite échelle des rafinements d'une théière de Chine, au premier plan, et la grande échelle des milliers de spectateurs dans un stade, des bâtiments à l'extérieur du stade, etc.
EDStar a fait la preuve de sa capacité à gérer de façon similaire une quasi-infinité des rapports d'échelle spatio-temporels, ainsi qu'un nombre très élevé d'emboitements phénoménologiques, dans des contextes de physique énergétique très divers : centrales solaires, combustion, conversion photochimique, microfluidique, photobioréacteurs, rayonnement atmosphérique, refroidissement de l'électronique, refroidissement des moteurs, thermique de l'habitat, thermique des milieux poreux, thermique médicale, thermique planétaire , etc.
[1]: Matt Pharr, Wenzel Jakob, and Greg Humphreys. Physically Based Rendering: From Theory to Implementation (3rd ed.). Morgan Kaufmann Publishers Inc., http://www.pbr-book.org/, 2016.
[2]: Jonas Lext, Ulf Assarsson, and Tomas Moller. A benchmark for animated ray tracing. IEEE Computer Graphics and Applications, 21(2):22–31, 2001.
Ces premiers succès ont conduit à la structuration d'un savoir faire permettant
- une reformulation en espace de chemins de modèles initialement énoncés en champs ;
- la simulation numérique et l' analyse (sensibilité, propagateur, modèle symbolique en fonction de transfert) par des techniques de balayage statistique de ces espaces de chemins.
Il ne s'agit en aucun cas de proposer des logiciels qui viendraient en complément de ceux mis à disposition par les éditeurs logiciel du monde de l'ingénierie énergétique. Il est question d'un instrument de recherche. L'accès à EDStar se fait sur projet et pour chaque projet est décidé de façon spécifique des moyens nécessaires en termes
- de personnel pour le travail de reformulation statistique et d'optimisation algorithmique ;
- d'éventuels développements de la bibliothèque.
Par rapport à d'autres instruments de recherche plus expérimentaux, le service assuré par la plateforme EDStar n'est pas one-shot. Chaque visiteur acquiert un outil de simulation numérique spécifique qui a vocation à être exploité ensuite dans sa communauté d'origine. La question de la pérénité étant essentielle, la plateforme propose donc également un service de formation et un service de maintenance.
Bien qu'entièrement tournée vers la Physique énergétique, la plateforme EDStar a une posture originale à l'interface avec la communauté de recherche en Informatique graphique. Il ne s'agit pas seulement de s'inspirer du passage déterministe/statistique de la synthèse d'image pour aborder la complexité des système énergétiques. Il s'agit également de pousser le parallèle suffisamment loin pour tirer bénéfice des importants développements logiciels menés par cette communauté dans les vingt dernières années.
La bibliothèque maintenue par EDStar est donc construite à partir d'un ensemble de bibliothèques graphiques existantes qui sont utilisées au delà de leur objectif initial pour permettre l'échantillonnage statistique de nouveaux chemins. Ces chemins ne sont plus des chemins de propagation de la lumière mais des chemins qui traduisent rigoureusement, en termes aléatoires, une question énergétique initialement énoncée de façon déterministe. Et les bénéfices sont alors effectivement les mêmes que ceux observés lors de la production d'images de synthèse, y compris d'un point de vue purement informatique, notamment en ce qui concerne la gestion des géométries complexes . et l' orthogonalité entre "production de la donnée" et "traitement de la donnée" .
On part donc d'une reformulation en espace de chemins , on s'inscrit algorithmiquement dans le nouveau paradigme de la synthèse d'image, et on se retrouve avec des outils de calcul fondés sur un balayage statistique dont les performances ne dépendent ni de la finesse du raffinement géométrique, ni du niveau de complexité des phénomènes pris en compte.
En physique, face à des objectifs théoriques moins calculatoires, une rupture similaire a été franchie très tôt avec la proposition de Mark Kac et Richard Feynman lorsqu'ils étendent à une plus grande classe d'opérateur différentiel l'idée de l'intégrale de chemin, qui en l'occurrence définit techniquement une intégrale sur une mesure de Wiener12, mais surtout permet de projeter une pensée propagative sur un espace de chemins pour des descriptions physiques originellement construites de façon radicalement différente.
Mais cette pensée était limitée aux opérateurs linéaires. Le cœur scientifique de la plateforme EDStar est une extension de cette idée au non-linéaire3. Ici le mot "non-linéaire" est à entendre de deux façons très distinctes :
- des opérateurs non-linéaires qu'il est aujourd'hui possible de transformer en intégrales de chemins branchés ;
- la non-linéarité de l'exponentielle apparaissant lors de la transformation des opérateurs linéaires, et qui devient source de difficulté en présence d'hétérogénéités spatio-temporelles fortes, ou lors de la construction d'un espace de chemin combinant plusieurs phénoménologies.
[1]: Marc Kac. On Distributions of Certain Wiener Functionals. Transactions of the American Mathematical Society, 65:1-13, 1949
[2]: R. P. Feynman and A. R. Hibbs. Quantum Mechanics and Path Integrals. McGraw-Hll, New York, 1965
[3]: Dauchet, J. and Bezian, J.J. and Blanco, S. and Caliot, C. and Charon, J. and Coustet, C. and El Hafi, M. and Eymet, V.t and Farges, O. and Forest, V. and Fournier, R. and Galtier, M. and Gautrais, J. and Khuong, A. and Pelissier, L. and Piaud, B. and Roger, M. and Terree, G. and Weitz, S. Addressing nonlinearities in Monte Carlo. Scientific reports, 8(1):13302, 2018
Acteurs institutionnels
Une quarantaine de chercheurs, à l'origine de la plateforme ou en relation étroite avec elle, sont aujourd'hui susceptibles de participer à l'accompagnement des projets. Ils interviennent au titre des structures académiques suivantes, en collaboration avec les ingénieurs de recherche de Méso-Star.
La plateforme EDStar fonctionne sur la base d'un partenariat étroit entre les laboratoires de recherche académique fondateurs et l'entreprise Méso-Star. Cette entreprise contribue de façon essentielle
- aux montages des projets ;
- à leur structuration juridique ;
- aux développements informatiques, notamment de la bibliothèque star-engine ;
- à la maintenance des codes issus des projets ;
- à la formation des nouveaux acteurs.
Méso-Star a été créée en 2014, au contact des laboratoires de la plateforme, par deux docteurs en physique-énergétique et deux docteurs en informatique graphique et calcul haute performance, avec des expériences dans le monde industriel de la synthèse d'image et du jeu vidéo.
Nous avons construit avec les différents services de valorisation et de formation continue de l'Université Paul Sabatier et de l'IMT Mines-Albi un montage juridique qui rend ce partenariat efficient. Il existe ainsi une convention entre Méso-Star et ces deux établissements aussi bien sur les questions de recherche que de formation. Concrètement cela se traduit par :
- un accueil de Méso-Star dans les locaux du laboratoire LAPLACE ;
- une facilitation dans le montage de projets portés par des laboratoires dans lesquels Méso-Star intervient ;
- une facilitation dans le montage de projets avec le laboratoire LAPLACE et un industriel tiers. Dans ce cas, l'industriel traite administrativement avec Méso-Star seulement. Tout ce qui est intervention des enseignants-chercheurs et des questions de propriétés intellectuelles sont réglés en amont par la convention entre Méso-Star et l'Université Paul Sabatier ;
- la possibilité pour Méso-Star d'organiser des formations avec l'intervention d'enseignants-chercheurs.
La Fonction du démonstrateur
Des entrées étagées vers la plateforme
Nous proposons un panel complet d'informations permettant d'évaluer le niveau de pertinence de la proposition alternative portée par la plateforme dans les contextes industriels et académiques.
Ces informations peuvent se classer en quatre principaux groupes, concrétisés par une ou plusieurs fonctionnalités du démonstrateur :
- l'état de l'art scientifique, transmis par les scénarios d'apprentissage , le glossaire détaillé , la littérature spécialisée , les outils interactifs .
- la liste des champs applicatifs et le détail des projets déjà réalisés ;
- le descriptif des codes en production issus des différents projets ;
- le code source des outils du démonstrateur, comme illustration d'une instantiation en technologie web des idées supportées par la plateforme.
Nous proposons une porte d'entrée vers le point de vue statistique sans la nécessité d'une connaissance préalables des modèles physiques déterministes plus usuels.
Cela passe par des scénarios d'apprentissage adaptés, tels que celui permettant la prise en main du simulateur thermique , qui incluent
- des capsules vidéo ;
- des textes de cours à entrée progressive ;
- une bibliothèque d'exemples de simulation paramétrables par l'utilisateur ;
- quelques illustration du passage à l'échelle vers les outils professionnels ;
Formation
Nous proposons deux offres de formation :
- des sessions collectives (durées de 1 à 3 jours) ;
- des accueils en immersion au sein de nos équipes de recherche.
Les sessions collectives sont des actions de formation continue en lien avec un ou plusieurs de nos champs applicatifs . Notre approche statistique de la complexité est au coeur de chacune de ces formations mais elle est déclinée de deux façons très distinctes selon le besoin et le niveau d'expertise des participants :
- pour un public disposant d'une expertise avancée dans le champ applicatif concerné, nous offrons une formation aux concepts et outils permettant de passer, sur leur objet d'étude, d'un regard déterministe à un regard statistique et d'acquérir un premier niveau de pratique calculatoire à l'aide des bibliothèques disponibles sur la plateforme ;
- pour un public débutant dans le champ applicatif concerné (e.g. Transferts Thermiques), nous offrons une formation à ce champ applicatif, partant directement du point du vue statistique, à l'aide de nos outils de visualisation des chemins (e.g. chemins de propagation de la chaleur par conduction, convection et rayonnement) que nous avons développés au contact de l'industrie du cinéma et du jeu vidéo.
Les accueils en immersion demandent un engagement sur un temps plus long (minimum 5 jours, mais sans obligation de continuité). Le contenu et le déroulé sont conçus avec les participants. Ils peuvent bénéficier de moments de formation individuelle, d'un accompagnement étroit de leur travail personnel, et peuvent participer aux actions de recherche collectives se déroulant au sein du laboratoire d'accueil.
En partenariat avec une équipe de chercheurs en didactique des sciences , nous développons un ensemble de ressources numériques qui
- accompagnent notre offre de formation continue ;
- permettent un premier niveau d'auto-formation au travers de scénarios d'apprentissage attachés à chacun des outils numériques ;
- sont utilisés en formation initiale par les enseignant-chercheurs de la plateforme ;
- sont utilisés lors d'expériences de recherche didactique pour l'enseignement secondaire et la formation du grand public.
Dans leur projet de recherche, les didactitiens motivent le développement de tels outils de la manière suivante ( extrait du projet ) :
La reformulation de la physique en terme de balayage statistique d’un espace de chemins modifie considérablement le rapport intuitif à l’objet d’étude, y compris chez les spécialistes des domaines concernés. Cette idée, en filiation directe avec le travail de reformulation de l’électrodynamique quantique initiée par Feynman, dans les années 50, avait déjà produit des effets équivalents et permis un renouveau des éléments descriptifs du corpus théorique, aux conséquences importantes dans l’enseignement du champ disciplinaire. (...) Très indépendamment de la plateforme, nous imaginons l’emploi de cet outil en situation d’enseignement tout public pour ses originalités en termes
Au delà des textes de documentation associés à la plateforme, nous mettons à disposition
- des livres ou extraits de livres (versions non éditées) ;
- des supports de cours ;
- des supports de conférences (accompagnés du texte de la conférence) ;