Simulation de phénomènes

Les systèmes technologiques (infrastructures, véhicules, réseaux de communication, de transport ou d'énergie) sont soumis à différentes contraintes et actions. Le moyen le plus simple d'étudier leurs réactions serait d'expérimenter, c'est-à-dire d'exercer l'action souhaitée sur l'élément en cause pour observer ou mesurer le résultat[1]. Cela est réalisé, par exemple, lors des essais de choc.

Dans certains cas, l'expérience est irréalisable en raison des coûts associés ou pour des raisons éthiques. On recourt alors à la simulation.

Imitation par ordinateur d'une vague circulaire (avec le logiciel Blender).

Les simulations sont utilisées par les professionnels (chercheurs, ingénieurs, économistes, médecins, etc.) dans toutes les phases de recherche, d'étude d'un phénomène ou pour concevoir et améliorer des systèmes.

Les simulateurs hybrides analogiques-numériques « avec homme dans la boucle (en) », sont de plus en plus utilisés pour l'enseignement ou l'entraînement. Leur coût relativement élevé les a d'abord réservés aux professions les plus en pointe ou à risque (pilotage d'un aéronef, commande d'une centrale nucléaire, engagement armé, etc.). La diminution du prix des systèmes vidéo a fait apparaître des applications à la conduite des camions, voire des automobiles.

Enfin, de nombreux jeux vidéo recourent aux mêmes techniques, qui permettent au joueur de se trouver soit dans une situation excitante ou dangereuse (pilote de chasse…) soit dans une situation fantasmagorique.

L'ordinateur permet aujourd'hui de simuler des phénomènes ou systèmes très complexes tels qu'un incendie ou un avion complet. Cependant, sa puissance reste encore insuffisante pour représenter l'ensemble des phénomènes météorologiques : la simulation de l'évolution du temps reste encore très difficile au-delà de quelques heures.

La simulation permet d'effectuer des recherches sur un système isolé, en faisant varier les paramètres un à un et en recommençant avec les mêmes conditions initiales.

L'expérimentation, sauf pour les phénomènes simples, ne permet pas toujours d'isoler le système à étudier de son environnement ; la maîtrise des conditions initiales peut être complexe et l'expérience peut détruire le système étudié ou le modifier suffisamment pour empêcher de recommencer.

La simulation est souvent moins chère que l'expérimentation et comporte beaucoup moins de risques lorsque l'homme fait partie du système étudié. Les résultats peuvent être obtenus beaucoup plus rapidement.

La simulation (surtout numérique) repose sur une connaissance des phénomènes qui ne peut être obtenue que par l'expérimentation. Une simulation ne peut donc être réalisée que si l'on dispose d'un acquis de connaissances suffisant obtenu par des expérimentations sur des phénomènes antérieurs et analogues. Quelle que soit la qualité de la simulation, elle ne remplace pas totalement l'expérimentation.

Certaines simulations ont un coût très élevé (même s'il reste faible devant celui de l'expérimentation). Cela explique que les utilisateurs de la simulation, en particulier lorsqu'elle utilise des moyens de calcul exceptionnels, soient les industries à forte valeur ajoutée (aéronautique et espace, nucléaire) ou à risque élevé (militaire).

On distingue deux types de simulations : la simulation numérique, lorsque l'outil de simulation utilise un ordinateur, et la simulation analogique lorsque ce dernier utilise de l'électronique analogique.

On appelle modèle un élément, analogique ou numérique, dont le comportement vis-à-vis d'un phénomène est similaire à celui de l'élément à étudier. Les sorties sont les éléments que l'on veut étudier. Les entrées, paramètres et contraintes sont les éléments dont la variation influe sur le comportement du modèle ; on appelle entrée ceux qui sont commandés par l'expérimentateur, paramètres ceux que l'opérateur choisit de fixer et contraintes ceux qui dépendent d'éléments extérieurs. On appelle simulation l'ensemble constitué par un modèle, les ordres d'entrée, les paramètres et contraintes, et les résultats obtenus.

Comme indiqué plus haut, les maquettes, prototypes, etc. peuvent être considérés comme des modèles analogiques et les essais, tests, manœuvres, etc. comme des simulations analogiques.

Les équations sont des simulations numériques. Aujourd'hui, ce terme s'applique essentiellement aux modèles et simulations réalisés sur ordinateur.

Dans certains cas on peut réaliser des simulations hybrides, analogiques - numériques, qui intègrent divers éléments dont certains seulement sont représentés par des équations.

Lorsque le calculateur est suffisamment rapide pour fournir un résultat à la même vitesse, voire plus rapidement, que le phénomène réel on parle de simulation en temps réel :

• on peut alors réaliser des simulations analogiques - numériques où l'un des éléments analogiques est l'homme : il s'agit de simulation avec l'homme dans la boucle. Un simulateur de pilotage en est un bon exemple : le pilote (analogique) est assis dans une cabine de pilotage quasi-réelle (analogique) et pilote son avion. Les ordres qu'il donne sont lus par un ordinateur qui calcule les mouvements de l'avion (numérique). Ces mouvements sont restitués (analogique) sur la cabine et sur les écrans, ce qui permet au pilote de sentir et de voir les effets des ordres qu'il a donnés ;
• de même, dans ce cas, la boucle de simulation peut comporter des éléments réels comme des équipements et sous-systèmes à tester. On parle alors de matériel dans la boucle ou "Hardware in the loop" (HiL). Un cas exemplaire est le test de sous-système ABS réel intégré dans un simulateur de conduite ou géré par un logiciel de type SimulationX.

Le jeu de simulation est une application récente du même principe. La différence entre le jeu et le simulateur d'étude réside soit dans :

• le coût des éléments analogiques : un simulateur de pilotage pour jouer remplace la cabine réelle par un clavier d'ordinateur et n'utilise qu'un seul écran pour montrer les instruments et le paysage. Par contre, au moins dans le cas d'un avion de tourisme, les équations de vol sont les mêmes que celles du simulateur d'étude qui est utilisé par l'ingénieur ;
• l'introduction de paramètres fantastiques : le simulateur pour jouer introduit des phénomènes qui n'existent pas dans la réalité telles que pouvoirs surnaturels, armes nouvelles, etc.