Models and tools for authoring and simulating operating procedures in construction projects combining BIM, virtual reality and knowledge bases
Modèles et outils pour l’édition et la simulation de procédures métier dans les projets de constructions couplant BIM, réalité virtuelle et bases de connaissances
Abstract
The BIM (Building Information Modeling) process used today in the field of construction allows a real improvement in the fluidity, understanding and communication of a construction project from its design to its facility management, especially through its 3D model, which is intelligent due to the metadata it contains, and which evolves along the project phases. In addition, virtual reality (VR) and augmented reality (AR) are increasingly used in construction projects to enhance productivity, the quality of works or the training and safety of workers. However, there are still many disruptions in the workflow of the BIM process, mainly between the study stage of site preparation and the execution stage of the work on the site. Challenges related to the integration of professional knowledge and interoperability between BIM and AR/VR due to the complexity of BIM and its multiple dimensions, limit the use of these dynamic data in AR or VR tools and require significant developments. For example, the operating procedures for each structure are being integrated into the BIM model, but consulting and using them in AR/VR contextualized to the construction site remains a challenge. Moreover, the professional knowledge in quality, hygiene, safety, and environment (QHSE) associated with these operating procedures is not currently formalized in a knowledge base that would allow it to be used in these AR/VR tools, during training or implementation of procedures.To contribute to the improvement of information exchange between BIM, knowledge bases and virtual or augmented environments in construction projects, we first study the state of the art of scientific publications and existing technologies. Then our research work has led to the proposal of a system architecture allowing the training of operating modes from BIM with the environment of the BIM 4D model and risk prevention in VR. We also provide through our research and using an UML data model, an automation of VR scenario creation for the operating mode from BIM as well as an interface dedicated to the edition of this scenario for the tasks that cannot be modeled in BIM.In a second part of this work, based on semantic web technologies, we worked on the formalization of QHSE professional knowledge in risk prevention. The contribution focuses on a QHSE rules ontology whose high-level concepts and proposed architecture, combining the inference engine with the 3D engine, make it possible to use real-time events occurring in the scenario of the operating mode in VR, to test the behavior of a trained person regarding quality and safety during the execution of the latter. In addition, a graphical editor of QHSE rules in SWRL has been proposed and developed to facilitate their creation by experts’ teams.Finally, an experiment was conducted to evaluate the final proposed system. The main hypothesis of a difference in the appropriation of safety rules in an operational situation, through the execution of an operating procedure on a VR worksite, depending on the support (video or VR) of the theoretical training was studied. A comparative study involving 33 participants and including a learning phase based on a video or VR training medium, followed by a VR worksite situation phase based on the VR QHSE event detection engine was conducted. The results were analyzed in terms of performance, behavior, and satisfaction, and showed that VR training reduces the amount of time people are put at risk during operational situations.
Le processus BIM (Building Information Modeling) utilisé aujourd’hui dans le domaine de la construction permet un réel gain dans la fluidité, la compréhension et la communication d’un projet de construction, de sa conception à son exploitation et maintenance, notamment grâce à sa maquette 3D intelligente contenant des informations dynamiques qui évoluent au cours des phases du projet. En complément, la réalité virtuelle (RV) et la réalité augmentée (RA) sont de plus en plus utilisées dans les projets de construction pour améliorer la productivité, la qualité des ouvrages ou encore la formation et la sécurité des ouvriers. Toutefois, il existe encore de nombreuses ruptures dans la chaine numérique du processus BIM notamment entre les étapes d’études à la préparation du chantier et celle d’exécution. Des verrous liés à l’intégration des connaissances métiers et à l’interopérabilité entre le BIM et la RA/RV dus à la complexité du BIM et ses multiples dimensions, limitent l’utilisation de ces données dynamiques dans des outils de RA ou RV et engendrent des développements importants. Par exemple, les modes opératoires de chaque ouvrage sont progressivement intégrés dans la maquette BIM mais leur consultation et exploitation en RA/RV contextualisée au chantier restent un challenge. Par ailleurs, les connaissances métiers en qualité, sécurité et environnement (QSE) associées à ces modes opératoires ne sont actuellement pas formalisées dans une base de connaissances leur permettant d’être utilisables dans ces outils de RA/RV, lors de formations ou de mises en œuvre de procédures.Afin de contribuer à l’amélioration des échanges d’informations entre le BIM, les bases de connaissances métiers et les environnements virtuels dans les projets de construction et en se basant sur un état de l’art scientifique et technologique, nos travaux de recherche ont conduit à la proposition d’une architecture de système permettant l’exploitation en RV de modes opératoires intégrés dans un processus BIM 4D pour de la formation ou prévention des risques. Les travaux ont également permis de proposer, à l’aide d’un modèle de données UML, une automatisation de la création de scénario en RV pour les modes opératoires provenant du BIM ainsi qu’une interface dédiée à l’édition de ces scénarios pour les tâches qui ne peuvent être modélisées dans le BIM.Dans une seconde partie de ce travail, basée sur les technologies du web sémantique, nous avons travaillé sur la formalisation des connaissances métiers QSE en prévention des risques. La contribution porte sur une ontologie de règles QSE dont les concepts hauts-niveaux et l’architecture proposée, couplant le moteur d’inférence avec le moteur 3D, permettent d’utiliser les évènements se produisant en temps-réel dans le scénario du mode opératoire en RV, afin de tester le comportement concernant la qualité et la sécurité d’une personne formée lors de l’exécution de celui-ci. De plus, un éditeur graphique de règles QSE en SWRL a été proposé et développé afin de faciliter leurs créations par les équipes métiers.Enfin, une expérimentation a été menée afin d’évaluer le système final proposé. L’hypothèse principale d’une différence d’appropriation des règles de sécurité en situation opérationnelle, à travers l’exécution d’un mode opératoire sur chantier en RV, en fonction du support (vidéo ou RV) de la formation théorique a été étudiée. Une étude comparative impliquant 33 participants et comportant une phase d’apprentissage basée sur un support de formation vidéo ou RV, suivi d’une phase de mise en situation sur le chantier RV s’appuyant sur le moteur de détection d’évènements QSE en RV a été réalisée. Les résultats ont été analysés en termes de performance, de comportement et de satisfaction et font notamment ressortir que la formation en RV réduit la durée de mise en danger des personnes lors de la mise en situation opérationnelle.
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