RENDRE VISIBLES LES PULSATIONS DE LA VILLE - ICOSYS
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D O S S I E R | S M A RT E N E R GY
La maquette hybride du
projet CityPulse combine
représentations physique
Rendre visibles et digitale du quartier de
Pérolles, à Fribourg.
les pulsations de la ville
Mesure, interprétation et représentation des signaux urbains | Dans le domaine
des smart cities, les évolutions récentes des capteurs, des réseaux de communica-
tion et des algorithmes de traitements big data ouvrent des perspectives inédites
pour l’analyse de nos cités. Le projet multidisciplinaire CityPulse du Smart Living
Lab de Fribourg explore les potentiels d’innovation.
J O N AT H A N PA R R AT, J E A N - P H I L I P P E B AC H E R , F LO R I N E L R A D U, J E A N H E N N E B E RT
omment transformer le cadre digitale – centrée sur le quartier de matière de rénovation, ou encore la
C bâti pour équilibrer la qualité de
vie, l’efficacité économique des
densifications et les valeurs d’usages et
Pérolles, à Fribourg. Véritable jumeau
numérique, les dimensions physiques
et spatiales de la maquette sont aug-
mise en évidence des îlots de chaleur
lors des canicules.
culturelles de nos villes ? Cette question mentées par des animations utilisant Collecte de données
se trouve au cœur des projets d’urba- les données collectées ainsi que par des statiques et dynamiques
nisme et d’architecture actuels. En visualisations incrustées dans le maté- La mesure multimodale couvrant des
offrant des outils numériques inno- riel semi-transparent des bâtiments. signaux liés à la qualité de vie dans les
vants permettant de comprendre Au vu de l’intérêt suscité auprès des villes – tels que la pollution de l’air, le
l’usage qui est fait de nos villes, le projet services d’urbanisme et des spécia- niveau de bruit, la température et le tra-
CityPulse apporte des réponses à cette listes en mobilité, des perspectives fic routier – constitue l’une des lignes
Figures: HEIA-FR/CityPulse
question. d’extension du projet sont analysées, directrices du projet. Or, la période de
CityPulse est articulé autour de trois notamment en ce qui concerne la l’année, la localisation ainsi que l’évo-
axes : la collecte de données, leur pré- représentation des équipements éner- lution des conditions atmosphériques
paration centralisée et leur visualisa- gétiques des villes, l’analyse des phé- et du trafic vont influencer le niveau de
tion. Son point d’orgue : la réalisation nomènes de mobilité, l’identification pollution mesuré. Ces données sont
d’une maquette hybride – physique et du potentiel solaire ou des priorités en donc liées entre elles, et il est nécessaire
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Pollution, température,
Serveurs Capteurs niveau de bruit
de calcul Libelium
Internet Passerelle API Trafic routier
bidirectionnel
Caméras thermiques Flir
Plateforme
cloud de
stockage
BBData Piétons et/ou
trafic routier
Caméras bas de gamme
Figure 1 Schéma de principe avec les composants utilisés pour la collecte des données.
a b
700 Lundi
Mardi
Mercredi
600
Jeudi
Vendredi
500 Samedi
Dimanche
Nombre de véhicules
400
300
200
100
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Heure de la journée
Figure 2 Vue de la caméra Flir avec configuration des axes pour le comptage (a) et fluctuation du trafic quotidien sur l’axe Pérolles en
direction de la sortie de Fribourg (b).
de les mesurer ensemble pour étudier
les variations temporelles et spatiales
de ces paramètres.
Un aspect innovant du projet consiste
en l’intégration de capteurs urbains sur
des plateformes de captage multimo-
dales permettant de réduire le coût via
une communication unifiée de type
« Internet des objets » et offrant des
mesures « quasi temps réel » sur diffé-
rents capteurs. La figure 1 illustre ce
principe d’intégration et le flux de don-
nées avec, de droite à gauche, les diffé-
rentes mesures effectuées, une passe-
relle connectée 4G et Internet, et la
partie « cloud » comprenant les capaci-
tés de calcul et de stockage.
Une plateforme de mesure Libelium
est utilisée pour la collecte des données Figure 3 Photo de la maquette CityPulse. Le niveau de rouge affiché dans les bâtiments
de bruit et de qualité de l’air ainsi que indique la densité des habitants. Des véhicules animent les axes routiers en fonction des
des paramètres environnementaux tels statistiques de trafic.
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que la température, l’humidité, la pres-
sion et la luminosité. Concernant la
qualité de l’air, les matières particu-
laires (Particulate Matter, PM1/2.5/10), le
dioxyde d’azote (NO2) et l’ozone (O3)
sont mesurés. Les capteurs ont été choi-
sis de manière à couvrir les différents
risques sanitaires au niveau des sys-
tèmes cardio-vasculaires et respira-
toires.
Pour la mesure du trafic routier, dif-
férentes solutions ont été testées. Les
plus fiables se basent sur l’utilisation de
caméras thermiques qui permettent un
comptage précis des véhicules dans les
deux sens de circulation, de jour et de
Figure 4 Modèle 3D du quartier de Pérolles, à Fribourg en cours d’élaboration. À ce nuit, indépendamment des conditions
stade, seules les routes sont texturées. d’illumination. La figure 2a illustre le
champ de vision et la configuration des
axes routiers sur le modèle Thermicam
de Flir utilisé dans CityPulse. Les
Maquette plexiglas caméras thermiques étant assez coû-
teuses, des solutions non thermiques
ont été testées dans le cadre du projet.
Les solutions les moins chères n’ont pas
TANGIBLE de capacité de traitement local et
impliquent un routage du flux vidéo
H.264 pour un traitement effectué sur
Couches de géodonnées
VIRTUEL les serveurs, avec des coûts de commu-
nication et de calcul qui peuvent s’avé-
> Densité d’emplois
> Densité d’habitants rer plus élevés sur le long terme. Les
> Affectations problématiques liées à la protection des
> Bruit routier diurne
> Bruit routier nocturne données sont également amplifiées
avec les solutions qui impliquent un
traitement centralisé. Cette considéra-
Cycle jour/nuit tion au niveau de la qualité des capteurs
Sélection peut se décliner pour tous les types de
des couches signaux : des compromis sont donc à
Météorologie
réaliser entre coûts, densité et qualité
des capteurs.
Traitement centralisé
des données
Choix de
Flux transport l'heure et Les données des plateformes de mesure
individuel motorisé du jour sont transférées via les réseaux 4G et IP
à la plateforme cloud de stockage
BBData. [1] Cette plateforme big data a
Réseau routier été développée pour divers projets du
Smart Living Lab de Fribourg [2] dans
l’objectif de faciliter le stockage et le
Bâtiments 3D traitement des données ainsi que de
standardiser et de sécuriser l’accès.
En ce qui concerne le transport moto-
risé, des modèles statistiques du trafic
Terrain 3D ont été conçus à partir des mesures en
temps réel provenant des caméras Flir
et complétés par des relevés de trafic
fournis par la ville de Fribourg. Ces
Figure 5 Schéma montrant les couches physiques et digitales composant la maquette modèles permettent d’obtenir des évo-
hybride CityPulse. Les données pouvant être modifiées en temps réel par les utilisateurs lutions quotidiennes et hebdomadaires
sont également indiquées. de la circulation (figure 2b).
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Les données relatives à la pollution La production d’un tel outil s’est
décrites précédemment sont égale- appuyée, pour sa partie physique, sur CityPulse
ment stockées sur les serveurs BBData l’expertise usuelle de la réalisation de
pour des analyses historiques et la maquettes exploitant les données géo- Un projet multidisciplinaire
création de modèles permettant des graphiques. Les bâtiments ont été com- Le projet CityPulse s’appuie sur les
visualisations ou animations cycliques posés à l’échelle 1:500 à partir de fines compétences de trois instituts de la
sur 24 h. En plus des outils statistiques tranches de plexiglas assemblées par Haute école d’ingénierie et d’archi-
et de visualisation, des approches collage et traitées par sablage afin de tecture de Fribourg. L’institut iCoSys
machine learning sont évaluées pour maximiser la diffusion de la lumière est spécialisé dans les méthodes
inférer des données manquantes en (figure 3). informatiques liées à la science des
certains points de la ville, à partir de La partie digitale a suivi un proces- données. L’institut Energy apporte
données précises disponibles en sus de développement plus complexe, son expertise dans l’énergétique
d’autres points. entre autres à cause de l’hétérogénéité des bâtiments et des quartiers ainsi
des données à intégrer. Les données que dans la distribution d’énergie.
Une maquette hybride brutes de topographie et de bâtiments L’institut Transform se trouve au
« physique et digitale » sont d’abord triées et sélectionnées cœur de divers projets d’urbanisme
La planification territoriale présente dans un logiciel d’information géo- et d’aménagement des quartiers,
beaucoup de difficultés décisionnelles graphique tel que QGIS. Elles sont pour lesquels les approches basées
dues à la complexité même du terri- ensuite exportées dans un format sur la capture de données en milieu
toire. De nombreuses dimensions de la lisible par un logiciel de modélisa- urbain offrent de grands potentiels.
réalité sont à prendre en compte, les tion 3D, tel que 3ds Max, où elles sont
exigences en termes de qualité de vie et transformées, simplifiées et adaptées
de durabilité sont croissantes, et les pour un affichage propre. Le réalisme
démarches des projets se doivent d’in- du rendu est affiné au niveau des tex- avec le moteur de jeu vidéo « Unity »
tégrer de plus en plus les parties pre- tures sur la base d’orthophotographies utilisé pour la partie digitale de la
nantes. Or, les outils usuels de planifi- obtenues dans un logiciel de traite- maquette hybride (figure 4).
cation ont peu évolué : ils relèvent ment d’image (Photoshop). Le « tex- Un soin particulier a été apporté à
souvent d’une seule discipline et sont turing » est particulièrement impor- l’alignement des représentations phy-
difficiles à interpréter pour les déci- tant, puisqu’en plus de donner des siques et virtuelles permettant une
deurs politiques. La maquette hybride couleurs aux objets, on leur donne du bonne diffusion de la lumière. Profon-
CityPulse (figure de titre) augmente relief par différents procédés tels que deur et réalisme sont également ren-
les qualités « sensibles » d’une le « normal mapping » et le « bump forcés par l’utilisation d’éléments 3D
maquette d’urbanisme traditionnelle mapping ». La dernière étape consiste dans la partie digitale, par une simula-
par des données du territoire affichées à exporter les objets 3D et leurs tex- tion du cycle jour/nuit portant des
dynamiquement. tures dans des formats compatibles ombres aux modèles 3D du terrain et
I N KÜ R Z E
Den Puls der Stadt sichtbar machen
Messung, Interpretation und Darstellung urbaner Signale
Das multidisziplinäre Projekt CityPulse schlägt neue digi- tionen, basierend auf den gesammelten Daten (Strassen-
tale Werkzeuge vor, die auf den jüngsten Entwicklungen bei verkehr usw.) als auch durch Visualisierungen, die in das
Sensoren, Kommunikationsnetzen und Big-Data-Algorith- halbtransparente Material der Gebäude eingebettet sind
men basieren, und ermöglicht es, zu verstehen, wie Städte (z. B. Einwohner- oder Arbeitsplatzdichte), erhöht. Tiefe
genutzt werden. Es bietet somit eine wertvolle Entschei- und Realismus werden auch durch die Verwendung von
dungshilfe für Stadtplanungs- und Architekturprojekte und 3D-Elementen im digitalen Teil, durch eine Simulation
fördert die Entwicklung von Städten hin zu immer «intelli- des Tag/Nacht-Zyklus, der Schatten auf die 3D-Modelle
genteren» Städten. des Geländes und der Gebäude wirft, und durch die Ein-
Die multimodale Messung von Signalen im Zusammen- fügung von meteorologischen Effekten wie dem Durch-
hang mit der Lebensqualität in Städten – wie Luftver- zug von Wolken verbessert.
schmutzung, Lärmpegel, Temperatur und Strassenver- Angesichts des Interesses, das bei Stadtplanungsabtei-
kehr – ist eine der Leitlinien des Projekts. CityPulse ba- lungen und Mobilitätsspezialisten geweckt wurde, werden
siert auf den drei Bereichen Datenerfassung, zentrali- die Aussichten für eine Erweiterung des Projekts analysiert,
sierte Datenaufbereitung und Datenvisualisierung. Das insbesondere im Hinblick auf die Darstellung der Energie-
Ziel: die Realisierung eines hybriden – physischen und anlagen der Städte, die Analyse der Mobilitätsphänomene,
digitalen – Modells, das sich auf den Stadtteil Pérolles in die Ermittlung des Solarpotenzials oder der Renovierungs-
Freiburg konzentriert. Die physischen und räumlichen prioritäten sowie die Hervorhebung von Wärmeinseln bei
Dimensionen des Modells werden sowohl durch Anima- Hitzewellen. CHE
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des bâtiments, et par l’insertion d’ef- Perspectives d’évolution alimentent la ville au travers des
fets météorologiques tels que le pas- Les outils numériques du projet réseaux techniques d’eau, de gaz,
sage de nuages (figure 5). CityPulse, et plus particulièrement la d’électricité ou de chauffage à distance.
La maquette intègre une simulation maquette hybride, démontrent les Le projet CityPulse sera exposé à
des flux de transports motorisés potentiels technologiques. Des tra- Bulle durant le salon Energissima du
(figure 3). Les données statiques et vaux sont actuellement en cours pour 11 au 14 mars 2021 dans une version
dynamiques collectées dans le cadre de faciliter la représentation d’autres por- refactorisée.
ce projet ont permis de créer des tions du territoire et améliorer la simu-
modèles de circulation simplifiés utili- lation, entre autres en incluant les Références
sant des agents autonomes associés aux transports publics en lien avec les den- [1] L. Linder, D. Vionnet, J.-P. Bacher, and J. Hennebert,
«Big Building Data – a Big Data Platform for Smart Buil-
véhicules. Le choix d’une stratégie par sités d’habitation et les affectations de dings», Energy Procedia, Vol. 122, pp. 589-594, 2017.
agents permet de donner une vie propre bâtiments. [2] www.smartlivinglab.ch
aux véhicules qui respectent les priori- Des extensions de la visualisation Auteurs
tés, évitent les collisions et décident sont prévues, en lien avec des théma- Jonathan Parrat est architecte et adjoint scientifique
à l’Institut Transform de la Haute école d’ingénierie et
aléatoirement de se parquer. Les agents tiques d’actualité telles que le potentiel d’architecture de Fribourg (HEIA-FR) ainsi qu’au sein du
sont gérés sur un principe générateur/ solaire des toitures, l’apparition d’îlots Smart Living Lab de Fribourg.
destructeur définissant un point d’en- de chaleur en période caniculaire ou la J HEIA-FR, 1700 Fribourg
J jonathan.parrat@hefr.ch
trée et de sortie d’un réseau de route quantification de l’impact des ombres
pré-modélisé. L’utilisation des statis- portées des bâtiments. La visualisation Dr Jean-Philippe Bacher est professeur à l’Institut
Energy de la Haute école d’ingénierie et d’architecture de
tiques journalières permet de générer « live » de certaines données de pollu- Fribourg.
les véhicules de façon réaliste, faisant tion ou de trafic est également envisa- J jean-philippe.bacher@hefr.ch
apparaître les bouchons aux heures de gée dans le cadre du projet FriLoRaNet
Dr Florinel Radu est professeur à l’Institut Transform de la
pointe. La simulation est néanmoins visant le déploiement de capteurs Haute école d’ingénierie et d’architecture de Fribourg.
limitée, car elle ne reproduit pas l’en- urbains sur le réseau LoRa à Fribourg. J florinel.radu@hefr.ch
semble des phénomènes de mobilité, Finalement, les outils pourraient égale-
Dr Jean Hennebert est professeur à l’Institut iCoSys de la
comme les ralentissements dus aux tra- ment être étendus à la visualisation et à Haute école d’ingénierie et d’architecture de Fribourg.
versées de piétons. la simulation des fluides et énergies qui J jean.hennebert@hefr.ch
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www.iimt.ch
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