************************************************************************ GRZ Groupement de Recherche ZOOM / Modelisation des Systemes Physiques ************************************************************************ Mots cle : modelisation, multidisciplinarite, phenomenes couples, problemes inverses problemes d'echelle, dynamique des systemes complexes, validation de modeles, assimilation de donnees, analyse d'experience ============ INTRODUCTION ============ Ce projet de constitution d'un Groupement de Recherche repose sur la collaboration active entre 7 laboratoires francais et 3 portugais qui mettent en oeuvre les memes methodes et approches pour aborder l'utilisation de la Modelisation dans la comprehension des systemes physiques (au sens large), a travers une diversite de domaines d'application qui va de la Meteorologie a la Chimie, du Genie des Procedes a la Biologie. La constitution du groupement repose sur une constatation commune : alors que la problematique qui emerge de la construction et de l'utilisation de modeles en accompagnement de la Recherche semble universelle, sa concretisation cas par cas, dans la profusion des methodes, outils et recettes mathematico-numeriques aboutit a une forte specialisation par domaine d'application, agravee encore par une abondance d'ideologies informatiques presidant a la realisation des modeles. Ainsi, la motivation amont du groupement est d'apporter une vision synthetique et unificatrice du role de la modelisation dans la Recherche, par la mise en oeuvre d'une approche qui permette d'ordonner et de structurer l'ensemble des methodes disponibles, et de degager des axes de developpements feconds. L'accent est mis sur le traitement multidisciplinaire des phenomenes couples, des problemes inverses, de la dynamique des systemes complexes, de la validation de modeles, d'assimilation de donnees, d'analyse d'experience, de changement d'echelle. Cette approche commune se caracterise par l'utilisation systematique d'un schema d'analyse base sur l'operation double de decoupage/raccordement de systemes, qui met en evidence les couplages entre parties et le role de leur retroaction dans les qualites intrinseques des sous-systemes separes par l'operation. Elle trouve sa concretisation pratique dans l'expression des modeles par un meme formalisme, le T.E.F., et dans un progiciel commun ZOOM. [TEF : Transfer Evolution Formalism] Ainsi, cette communaute permet a la fois la fertilisation croisee entre domaines d'application multiples et le developpement d'outils d'analyse sophistiques propres a repondre aux exigences de la Recherche, tant industrielle qu'universitaire. A ce jour, la diversite des applications, la qualite des resultats obtenus, l'interet manifeste par les chercheurs pressentis amenent a la conviction de la pertinence de l'approche TEF/ZOOM pour la modelisation des Systemes. Mieux encore, les derniers developpements formels du TEF permettent de prolonger les potentialites du logiciel et accroitre sa pertinence pour l'analyse physique des systemes. Dans ce qui suit, nous rappelons le contexte historique du developpement du TEF/ZOOM, l'etat actuel du progiciel et de la collaboration, les objectifs de ce projet. Les annexes concernent une presentation succincte des activites de chacune des equipes contribuantes, et une liste de publications. ============================= HISTORIQUE DU PROJET TEF/ZOOM ============================= L'environnement de modelisation ZOOM est le fruit d'une lente maturation, depuis les premieres idees sur un formalisme dedie a l'etude des couplages au sein des systemes hererogenes - le TEF - (1983), la premiere implementation informatique operationnelle (1985) et les developpements successifs jusqu'a ce jour. Porte par le PIRDES, puis le PIRSEM et l'ADEME, il a ete mis a contribution dans 12 theses, 14 stages de DEA et 4 contrats industriels. Il a beneficie de sa participation au GER ALMETH pour ses applications en thermique de l'habitat (85-92). [ALMETH : Atelier Logiciel de Modelisation en Thermique de l'Habitat] [ALMETH : Atelier Logiciel pour la Maitrise de l'Energie dans le Tertiaire et l'Habitat] Ce soutien institutionnel prolonge a permis a cette premiere phase d'arriver a maturite, et depuis lors, les travaux autour de ZOOM n'ont fait que s'intensifier et se propager a d'autres domaines d'application. La remarquable robustesse des modeles developpes dans ce cadre a motive une etude plus approfondie des concepts fondamentaux. Une collaboration informelle s'est ainsi poursuivie; elle a mene a une reinterpretation du formalisme developpe (le TEF), qui a permis a la fois d'ancrer la methodologie dans ses principes fondateurs et de suggerer des prolongements prometteurs. ========== LES ACQUIS ========== ETAT ACTUEL DU PROGICIEL Il concretise largement les objectifs primitifs de son elaboration : partir d'une approche par composition de la modelisation des systemes physiques, exhiber les couplages entre sous-systemes choisis pour analyser le comportement global en regime dynamique ou stationnaire de systemes non lineaires. Cette approche s'est revelee feconde pour la comprehension des systemes etudies, et a eu comme consequence de mettre en oeuvre des algorithmes de resolution fiables et robustes. L'implementation informatique a permis de conserver les principes caracteri- ant le TEF - bases sur le decoupage etle raccordement - procurant a l'outil de modelisation une orientation conforme aux principes de la programmation par objets, facilitant le developpement incremental des modeles, ainsi qu'une bonne convivialite de production graphique des resultats de simulation, tant sur les grandeurs que sur les couplages. Des langages dedies aux grandes etapes de la construction de modeles ont ete definis pour alleger l'effort de programmation. Cependant ZOOM, logiciel destine principalement a la Recherche et construit pour aider a la conception de modeles nouveaux, n'appartient pas a la classe des logiciels "presse boutons" : la grande liberte offerte dans la connectique des modeles partiels a pour contrepartie une ecriture de ceux-ci qui s'apparente a la programmation par objets. Ceci necessite un savoir faire relativement nouveau, bien que facilite par les langages susdits. Le niveau actuel de convivialite peut s'apprecier par le fait que l'utilisation de ZOOM est systematise depuis trois ans pour les stages de DEA . Il s'adresse donc a des equipes de Recherche, industrielles ou universitaires, pretes a consentir a la formation de specialistes de la Modelisation. L'ETAT ACTUEL DE LA COLLABORATION Si la difficulte a entrer dans l'approche TEF/ZOOM a pu constituer un frein dans les annees 87-93, il s'avere que de nombreux chercheurs ont ete echaudes par les "methodes vernaculaires" de la simulation pour certains, par l'utilisation de logiciels a tout faire - de type boite noire - pour d'autres. Ce constat explique peut-etre l'interet actuel pour une approche semi ouverte favorisant l'analyse avant la simulation. Ainsi, cette collaboration s'est constituee par essaimage et seminaires inter-laboratoires plus que par recherche de partenariat; outre les deux laboratoires de base, on recense au dernier seminaire de formation organise a l'Ecole des Mines d'Albi 24 chercheurs et ingenieurs concernes, ce qui porte a une trentaine de chercheurs et ingenieurs, repartis dans six universites francaises et deux portugaises le support humain du projet que nous presentons. Les conditions sont ainsi reunies pour que la creation d'un noyau dur de collaborateurs, soutenu institutionnellement, puisse peser de tout son poids sur l'efficacite et la diffusion de l'outil de modelisation dans la resolution des problemes de l'Industrie et de la Recherche. C'est sur ces acquis humains, methodologiques et logiciels que se fonde ce nouveau projet. ======================= LES OBJECTIFS DU PROJET ======================= Enjeux Scientifiques Internes GdR / CNRS ---------------------------------------- L'originalite de cette collaboration repose sur la creation d'un espace de confrontation de pratiques avec un langage commun : alors que la specialisation isole les chercheurs par domaine, par discipline, ils sont tous confrontes a des problemes semblables qui - grace au recours frequent a la modelisation comme approche exploratoire des problemes - permet de faire surgir une problematique commune. Ainsi, exprimee par un meme formalisme (le TEF), a travers une demarche commune (la TGR : Theorie Generale du Raccordement), la diversite des applications devient source d'enrichissement mutuel. De plus cet outil methodologique commun non seulement permet des echanges precis entre disciplines, mais herite retroactivement des questions, critiques, ameliorations et developpements suggeres par ces confrontations. Des tentatives comparables ont deja ete entreprises dans de nombreux domaines, (voir, par exemple, le GdR "Couplage d'Equations" pour l'aspect mathematique); cependant il semble que notre groupement soit le premier a offrir un formalisme, une demarche et un outil informatique susceptibles d'etre communs a des disciplines variees. Il accomplirait ainsi un pas indispensable vers la constitutation de la Modelisation en veritable Discipline Scientifique. Enjeux Scientifiques Externes ----------------------------- En Septembre 93, la societe Central Management (de C.M. International) rendait a ECOTECH un rapport d'audit sur les possibilites de la diffusion industrielle de ZOOM. Cette etude a permis en particulier de situer ZOOM par rapport aux logiciels de simulation utilises dans l'industrie, et en soulignait les aspects originaux et pertinents. La conclusion du rapport insistait sur l'interet de developper le logiciel, mais aussi que : << La promotion de ZOOM dans l'industrie passe certainement par son utilisation dans le cadre de recherches en collaboration. Ceci necessitera de nombreux aller-retours entre le marche (les industriels) et les chercheurs charges de developper des applications specifiques. >> Tous les laboratoires parties prenantes du GdR ont des liens avec des industriels, a l'exception du LMD dont la vocation aval concerne les grands programmes internationaux des etudes sur l'Environnement. La valorisation industrielle de type contractuelle ne pourra qu'etre stimulee par la collaboration. En outre, il ne semble plus aujourd'hui utopique de penser a une antienne de l'effort de valorisation, qui vise a utiliser la livraison d'un environnement de modelisation comme vecteur d'un savoir faire vers l'Industrie. Ce resultat - fortement dependant de la conjoncture economique - reste certes incertain mais merite qu'on s'y emploie. Organisation et Structuration de la Collaboration ------------------------------------------------- Il s'agit d'organiser des rencontres et seminaires de formation, des echanges par publication interne, la livraison des versions successives du progiciel, la mise en service et le maintien d'un serveur ZOOM et la gestion du Club des Utilisateurs. Le projet presente vise a repartir les taches entre les contribuants, a partir d'un Comite Permanent de Coordination, qui sera en particulier responsable de la visibilite du Groupement a travers un Club des Utilisateurs. La collaboration emet le souhait qu'un suivi interne soit effectue par un responsable de departement, PIR ou AI, ainsi que d'un membre de l'ADEME, organisme qui reste tres interesse a ces travaux. =========== LES ACTIONS =========== Actions de Modelisation et de Developpements de Methodes ======================================================== Nous les avons reparties par poles thematiques, sur chacun desquels interviennent plusieurs laboratoires de la collaboration. POLE Sciences Physiques de l'Ingenieur Le developpement de modeles et la simulation numerique sont situes au confluent entre la Physico-Chimie, les Mathematiques Appliquees, l'Analyse Numerique et les Sciences pour l'Ingenieur. Les nouveaux problemes technologiques poses a l'heure actuelle dans les procedes et systemes innovants amenent a de nouvelles approches et de nouveaux outils pour apprehender les solutions. Les domaines principalement concernes sont les suivants (cette classification n'excluant pas des recouvrements) : * Genie des Procedes Physico-Chimiques et Biochimiques - Electrophorese, separation menbranaire, ultrafiltration (LGCE, LESETH) - Genie de la Reaction Chimique (IMP) - Lits fluidises (EMAC, Coimbra) - Sechage (LEPT, EMAC) * Physico-Chimie de l'Environnement - Caracterisation des micro climats urbains (GISE) - Caracterisation des sols et milieux naturels (LEPT, EMAC) - Reduction des emanations de radon et autres contaminants par ventilation des sols (GISE) - Depollution des sols par electromigration (EMAC, LGCE, LESETH) - Deshydratation des boues par cryogenie (EMAC, LESETH) - Pyrolyse, Combustion des dechets (EMAC, LEPT) * Mecanique des Fluides Appliquee - Transport et diffusion dans les milieux poreux (LEPT, EMAC, LESETH) - Ecoulements a changement de phase (EMAC, LESETH, LEPT) - Fronts et interactions structure-ecoulement (EMAC, LESETH, LEPT, LGCE) - Instabilites et transition vers les regimes turbulents (LESETH, LGCE) * Technologies propres - Reacteurs thermochimiques producteurs de froid (IMP) - Echangeurs diphasiques, Pompes thermocapillaires (LESETH, IMP) - Stockage de l'Energie, Energies Renouvelables (LESETH) - amelioration de la qualite des processus thermiques industriels,(GISE) * Physique de l'Habitat et des Habitacles - Aeraulique et transferts de masse (LESETH,GISE) - Conditionnement (LESETH) Les demarches de modelisation en Sciences pour l'Ingenieur trouvent souvent leur specificite et leur limites au travers des problemes de reduction de modele. Pour passer de l'etude des phenomenes physico-chimiques au dimensionnement et au controle-commande d'un pilote industriel, en passant par l'etude sur des maquettes de laboratoire, il est necessaire de savoir passer de modeles de connaissance elementaires a des modeles de comportement a l'echelle de l'ensemble du procede, c'est a dire qu'il faut tenir compte des interactions Materiau/Procede et du fonctionnement de composants technologiques complexes. Il est donc important que les nouvelles methodologies impliquees disposent d'outils de modelisation permettant une hyper-modularite (offrant une large palette de possibilites de decoupage/raccordement de modeles partiels sur des criteres techniques, physiques, mathematiques...) c'est a dire qu'elles utilisent le corpus defini plus haut. Il faut aussi imperativement integrer (grace au savoir faire des differentes equipes du Groupement) des outils et techniques specialises tels que ; - la reduction de modeles (passage de modeles de connaissance a des modeles de comportement) - les methodes inverses et d'identification/estimation de macro-parametres par traitement de donnees experimentales. - la methode de la prise de moyenne qui permet le changement d'echelle entre les phenomenes elementaires et leur representation globale - les techniques d'analyse de sensibilites et couplages - la robotisation et la commande de pilotes industriels ou d'experiences de laboratoire - la conception de systemes et procedes industriels POLE INTERFACE : LES ECHANGES RADIATIFS Parmi les phenomenes classiquement invoques lors de la modelisation de systemes complexes, les transferts de chaleur par rayonnement infrarouge ont une situation toute particuliere liee a leur caracteristique d'action a distance. Fondamentalement, le fait qu'instantanement un element donne puisse echanger de l'energie avec l'ensemble des parties d'un systeme ne pose aucun probleme particulier en termes de decoupage/raccordement et analyse de couplage. Cependant, dans la pratique, il s'avere que les systemes dans lesquels les transferts radiatifs jouent un role essentiel sont d'une etude extremement delicate. Les limitations qui en decoulent font de ce theme un sujet de preoccupation central en sciences de l'atmosphere comme en milieu industriel, qui ne peuvent ignorer ce phenomene au regard des exigences des precisions requises. Plusieurs equipes de la presente collaboration ont vu leurs motivations propres converger vers l'identification d'un besoin de formulation originale des mecanismes de transferts radiatifs (action a distance) et de leurs couplages avec des mecanismes locaux tels que conduction, convection ou chimie de la combustion. Ces travaux ont abouti a une Formulation en Puissances Nettes Echangees dont le potentiel a pu etre explore dans des cadres aussi divers que la simulation de l'atmosphere venusienne, l'etude des couplages convecto-radiatifs en cavite ou l'analyse du rayonnement au sein d'une flamme de diffusion. Dans chacune de ces etudes et a chacune des etapes, l'objectif reste de conserver une approche permettant de garantir le plus grand contact possible avec la physique du rayonnement infrarouge tout en preservant la flexibilite necessaire a la mise en oeuvre de l'ensemble des outils d'analyse de couplage. Etudes en cours : exploration des mecanismes de couplage convecto-radiatifs en cavite spi : combustion, reacteurs, habitat sdu : atmospheres planetaires, environnement urbain POLE SCIENCES DE L'ENVIRONNEMENT L'enjeu international que constituent les etudes du changement global du climat est clairement identifie; ces etudes font largement appel a la modelisation, qu'elles soient paleoclimatiques ou previsonnelles. Les grands modeles Ocean/Glaces de mer/Atmosphere (GCM) posent a l'heure actuelle le probleme de leur couplage numerique, comme en temoigne une recente serie d'articles de B.DAUTRAY et J.L.LIONS, deux numericiens francais de renom. L'analyse de ce probleme par le TEF a permis de proposer a la collaboration francaise (Meteo France, LMD, LODYC, LMCE) une solution originale dont les premiers tests operationnels sont en cours. Par ailleurs, une reflexion de fond sur la formulation variationnelle muti-echelle des modeles climatiques devrait permettre de contribuer efficacement a la definition pour l'avenir d'un veritable outil d'etude du climat, qui mette en evidence les couplages entre les grands cycles geo-physiques et donne acces aux etudes de sensibilite du climat et de sa stabilite aux perturbations naturelles ou d'origine anthropogenique. Enfin, l'exploitation de campagnes de mesure [TOGA-COARE, SEMAPHORE, EUCREM] pose le probleme ardu de l'extraction de lois globales a partir d'observation de phenomenes tres couples. Elle requiert une forte integration modele/mesures dnot la mise en oeuvre actuelle est loin d'etre satisfaisante. Etudes en cours : Raccordement Glaces Ocean Atmosphere (aspects numeriques pour les GCM, PNEDC) Etude locale du couplage Ocean/Atmosphere a partir d'une campagne de mesures (SEMAPHORE) Modelisation de la couche limite planetaire, et de la convection cumuliforme [TOGA COARE,EUCREM]; Modeles de plancton, dynamique et thermique de la glace de mer Formulation multi-echelle de la dynamique des fluides geophysiques LMD, CETP, LESETH Action Theorie Generale du Raccordement ======================================= Au-dela de la definition et de la formalisation de la notion de Modele, cette recherche a pour but d'explorer les fondements de la demarche scientifique qui aboutit a utiliser la modelisation en accompagnement de l'etude des systemes physiques. Dans l'approche TEF/ZOOM, la decomposition en modeles n'est plus exclusivement guidee par des considerations numeriques mais apparait comme le resultat d'un questionnement base sur deux operations complementaires : - le decoupage en sous-parties permettant de reconnaitre a chacun des sous-systemes une fonctionnalite intrinseque; - le raccordement, qui determine le vecteur des influences reciproques et permet de restituer l'unite du systeme originel; Ce processus peut etre repete pour chaque sous-systeme et aboutit in fine a une composition de Modeles Elementaires Raccordes. ------------------------------- Ce concept de Raccordement prend dans cette methode un sens profond, car y sont formellement associes des operateurs d'influence entre sous-systemes, qui donnent acces a une information explicite sur les couplages et au-dela a des etudes de sensibilite; l'objectif central de l'approche reside donc bien dans la comprehension, l'intelligence du systeme , ainsi que dans l'utilisation optimum des donnees experimentales eventuellement disponibles. Ce mode d'analyse d'une demarche scientifique represente un exercice d'autant plus fecond qu'il repose sur une grande diversite de problemes et d'applications. Il a acompagne le developpement de ZOOM depuis sa genese et on peut vraisemblablement lui imputer la coherence pratique du progiciel et de ce qui en a fonde la definition. Cette nouvelle collaboration, qui aborde en particulier un aspect critique de la Recherche Appliquee - les problemes inverses - s'attachera a poursuivre cette recherche visant a fonder une theorie de la modelisation, en prolongement de la suggestion de Pierre RIVET - alors attache scientifique du PIRSEM - sous le nom de Theorie Generale du Raccordement (TGR). Cette action aura a coeur de renforcer ses liens avec trois autres groupements du CNRS : - le METTI (Metrologie Thermique et Techniques Inverses) - le GdR Couplage/Equations, anime par des Mathematiciens de l'ecole francaise d'Analyse Fonctionnelle - Le GdR Assimilation Variationnelle ======================================================================== Actions specifiques concernant l'optimisation et le prolongement du code ======================================================================== Optimisation du noyau ZOOM -------------------------- 1-Implementation du modele adjoint .................................. Parmi les developpements formels evoques, la re-interpretation variationnelle du TEF s'est montree riche de consequences, puisqu'elle fournit une maniere d'aborder et d'unifier des analyses tres diverses, dont l'importance est tout autant pratique que theorique; elles concernent : l'etude des sensibilites la recherche de commandes optimales l'identification et l'estimation experimentale de parametres la caracterisation d'observabilite de sous-systemes la reduction de modeles l'assimilation variationnelle de donnees l'etude de stabilite des systemes non lineaires la propagation des incertitudes ... Or, l'utilisation du TEF pour la formalisation des modeles fournit toute l'information necessaire pour construire le modele adjoint de tout systeme realise - sans modification des modeles eux memes. Le prix en est la re-ecriture du noyau de ZOOM pour obtenir automatiquement le modele adjoint de chaque modele realise sous ZOOM; il s'agit d'une operation lourde. 2-Parallelisation massive du code ................................. Pour les raisons evoquees - developpement pousse' des modeles, programmation objet - les couts de simulation avec ZOOM restent importants. De plus et dans une premiere phase d'exploitation de l'interpretation variationnelle du TEF, des etudes de "sensibilites avant" - cad hors la mise en oeuvre du modele adjoint - ont deja ete essayees en l'etat du progiciel; elles conduisent a un doublement du nombre des variables et contribuent ainsi a accroitre les couts informatiques pour ce type d'etudes qui seront intensifiees dans l'avenir car elles constituent un complement a l'approche par modele adjoint. Or, il s'avere que l'algorithmique du TEF est massivement parallelisable, et l'avenement des architectures paralleles offre une potentalite tres importante de gains des performances. Il est ainsi prevu une serie de tests preliminaires a la re-ecriture du noyau sur machine CRAY (T3D, T3E) de l'IDRIS destines a orienter en ce sens le futur noyau. 3-Amelioration du traitement graphique des resultats (pour memoire) ................................................................... En ce qui concerne les sorties de simulation, nous disposons d'un traitement graphique convivial et performant, construit a partir d'un environnement developpe par le CERN [PAWS : Physics Analysis WorkStation]. Dans la mesure ou le TEF donne acces a des informations en prise directe avec ce qui concerne l'intelligence du fonctionnement des systemes couples, comme les gains de retroaction - definis dans l'espace temporel ou dans l'espace de Borel - et tout ce qui sera rendu disponible par les modeles adjoints, un travail d'accompagnement des nouveaux developpements du noyau sera necessaire, de meme qu'un accroissement des performances pour traiter des matrices d'ordre eleve. ======================================= Action de Communication et de Formation ======================================= Il est apparu clairement ces derniers mois que notre approche de la modelisation suscitait l'interet des chercheurs contactes. Le groupement doit donc se doter rapidement de moyens pour faire face a l'accroissement previsible du nombre de ses membres; c'est le but du Club des Utilisateurs, lieu d'echange d'information, de formation et de conseils a l'utilisation des outils communs; le support en sera, pour la partie permanente, d'une page du Web et d'un forum INTERNET, structure jugee la plus legere compatible avec les forces disponibles; il est cependant envisageable de renforcer cette structure par la suite si le besoin s'en fait sentir et si le CNRS le souhaite. La toute derniere livraison de la version ZOOM.24 sur 7 sites - et ainsi sur l'ensemble des stations de travail actuellement disponibles du marche - en parallele a l'organisation du troisieme seminaire de formation TEF/ZOOM qui s'est tenu a Albi (29-31 Mai 96) a permis d'en apprecier la charge. Or, il est imperatif pour le bon fonctionnement des echanges de disposer d'une meme version d'un progiciel en developpement continuel. Un serveur ZOOM est ainsi prevu, qui rassemble les ameliorations emanant des equipes, les modeles mis a disposition, ainsi que des documents partages. Des outils de mise a jour et d'installation ont deja ete mis au point et eprouves; il reste, comme apres toute mise au point hative, a en restructurer les grandes fonctionnalites. ========== CONCLUSION ========== Les membres de cette collaboration considerent qu'ils ont en nombre et en diversite atteint une taille critique pour mener a bien un programme ambitieux, dont ils attendent chacun de nombreuses retombees, tant sur leurs themes propres que sur leurs actions de valorisation. La constitution d'un GdR vise a structurer un pole de recherche, positionne dans un contexte resolument pluridisciplinaire. Il s'inscrit dans la description et la resolution de problemes complexes tels que ceux qui sont invoques par les champs socio-techniques comme l'environnement urbain et planetaire, les procedes industriels sobres et propres, la sante publique, etc. Un soutien institutionnel lui permettra d'intervenir efficacement dans le developpement et la diffusion de methodes et outils sophistique's pour la Modelisation et la Simulation des Systemes Physiques. ============= XXXXXXXXXXXXX =============