Les quidams qui empruntent les escaliers mobiles des pavillons Pierre-Lassonde et Claudette-MacKay-Lassonde remarqueront bientôt, à l'intérieur d'un grand espace vitré, de petits robots autonomes en action reproduisant les opérations automatisées d'un entrepôt simple, mais riche en enseignements. Bienvenue au nouveau Laboratoire des systèmes cyber-physiques intelligents (SCP-I), un endroit où l'industrie du futur prend déjà forme. Visite de cet espace inusité de Polytechnique Montréal qui a pour grande mission d'aider les PME canadiennes et québécoises à optimiser leur productivité en exploitant la transformation numérique pour y arriver. 

Le laboratoire des systèmes cyber-physiques intelligents (SCP-I) de Polytechnique Montréal met à contribution des experts de différentes discipline en vue d'aider les PME du Québec à optimiser leur productivité par la transformation numérique. (Photo : Laboratoire SCP-I)

Dès qu'il pousse la porte du laboratoire SCP-I, le visiteur comprend qu'il entre dans un labo pas comme les autres. Ici, il n'y a pas de paillasses, ni de tables optiques. Un appareil d'usinage trône plutôt près de l'entrée, accompagné un peu plus loin par de petits robots mobiles autonomes qui attendent patiemment qu'on les active. 

Bientôt, le bras robotisé d'un robot manipulateur saisira une pièce fraîchement usinée pour la déposer sur un robot transporteur qui la déplacera ensuite vers des stations d'identification et de contrôle de qualité, avant d'être livré ultimement à destination. Un processus qui reprendra de nouveau avec la création d'une nouvelle pièce. 

Bref, c'est un grand ballet d'appareils robotisés auquel il sera possible d'assister -- un ballet qui ne serait rien sans son chorégraphe : un automate programmable industriel, plus connu sous le nom de l'acronyme « API ». Terré dans un coin du laboratoire, ce petit ordinateur jongle avec les données transmises en temps réel par chacun des équipements. Données de vibration, de température et de position s'ajoutent à toute sorte de données insoupçonnées qui permettent à l'API d'avoir une vue sur l'ensemble de la chaîne de production. Grâce à elle, il réévalue en continu les opérations, identifiant les goulots potentiels pour les éviter, puis raffine son modèle et renvoie des instructions pour coordonner les actions. Un bris? Une anomalie? Aussitôt, une nouvelle séquence s'enclenche pour maintenir la cadence de production. Une façon de faire qui contraste toutefois avec la réalité de nombreuses PME québécoises. 

C'est que même si de nombreuses entreprises ont amorcé un virage vers l'automatisation, la promesse d'une usine 4.0 demeure encore loin pour elles. Plusieurs composent avec un problème fondamental : leurs équipements fonctionnent encore en silos et ne partagent pas d'information en temps réel. Les robots exécutent leurs tâches et les capteurs accumulent des données, mais celles-ci ne sont pas mises en commun de façon à optimiser les opérations du système au complet. 

Véritable cerveau du laboratoire, l'API s'alimente en données à travers un réseau de communication connectée reliant tous les équipements du laboratoire, puis lance des commandes afin d'optimiser les opérations d'un système industriel, comme celui d'un entrepôt automatisé, par exemple. (Photo : Laboratoire SCP-I)

Résultat : « Si un imprévu survient, toute la chaîne d'opérations se fragilise, explique Soumaya Yacout, professeure titulaire au Département de mathématiques et de génie industriel de Polytechnique Montréal. Et dans certains cas, cette situation affecte le client », ajoute-t-elle. 

Un exemple? Un robot remarque que sa batterie atteint un seuil critique qui l'amène à stopper immédiatement son action pour se diriger vers la recharge plutôt que de terminer son action avant de se recharger. Une décision logique à son échelle, mais susceptible de générer une onde de choc qui impacte toutes les étapes suivantes incluant la date de livraison spécifiée dans un contrat entre le fournisseur et le client. « Le robot prend une décision qui est bonne pour lui, mais pas forcément pour le système parce qu'il n'a pas de vue d'ensemble », explique la professeure Yacout. 

Au-delà des arrêts, cette absence de vision globale crée une incertitude persistante pour les PME qui doivent s'en remettre à des humains pour gérer des opérations qui pourraient pourtant être automatisées. Ce faisant, ces entreprises sous-estiment leur capacité d'opérations, et pourraient la sous-utiliser, allant jusqu'à refuser des contrats par peur de ne pas pouvoir les exécuter dans les temps prescrits. 

Voilà précisément le type de situation que le laboratoire SCP-I cherche à transformer. 

Un « cerveau » pour connecter, comprendre et décider 

En reliant les équipements et les capteurs à travers une architecture de communication connectée au cerveau central qu'est l'API, l'équipe de Polytechnique Montréal mise sur un système qui pourrait vite devenir un standard dans les PME québécoises. Un système désigné comme « cyber-physique intelligent » qui intègre à la fois des équipements physiques et des composants informatiques, de réseaux et de processus en plus de miser sur des algorithmes avancés pour contrôler et optimiser l'ensemble en temps réel. 

Contrairement aux approches traditionnelles, ce système ne se contente pas de surveiller ce qui se trame. Il comprend et intervient en plus. Si une étape ralentit ou s'interrompt, il redirige les opérations, ajuste les tâches ou déclenche une séquence alternative afin de maintenir la production. « L'important à la fin, c'est que le produit sorte à temps et avec la qualité attendue, peu importe ce qui est arrivé à l'intérieur du système », explique la professeure Yacout. 

La professeure Soumaya Yacout.

Cette capacité repose aussi sur l'utilisation d'un jumeau numérique, une réplique virtuelle d'un système physique. Grâce à lui, on peut visualiser, en temps réel, l'état des opérations et tester différents scénarios avant leur mise en œuvre. Les chercheurs peuvent ainsi simuler l'impact d'une panne, d'un ralentissement ou d'un changement de demande, puis ajuster les décisions de manière informée d'ici à ce que toutes les procédures soient entièrement automatisées et qu'une IA soit éventuellement greffée à l'ensemble pour permettre l'apprentissage automatique. 

« L'IA ce sera vraiment la cerise sur le gâteau », souligne la chercheuse. 

Au-delà des infrastructures, c'est aussi une nouvelle manière de faire de la recherche qui prend forme. Une dizaine d'étudiants issus de disciplines variées -- génie industriel, robotique, informatique, mécanique, génie électrique -- travaillent déjà ensemble dans le laboratoire. Des membres du corps professoral issus du Département de génie électrique, du Département de génie informatique et logiciel, du Département de mathématiques et de génie industriel et du Département de génie mécanique contribuent aussi à l'initiative. 

« Aujourd'hui, il n'y a plus de solutions qui relèvent d'une seule discipline, rappelle Soumaya Yacout. Il faut apprendre à travailler ensemble pour construire ces systèmes connectés et intelligents. » 

Un projet collectif à l'échelle du Québec 

Le laboratoire SCP-I se limite peut-être aux murs de Polytechnique, mais il s'inscrit avant tout dans une initiative beaucoup plus vaste, celle du réseau Céosnet (Réseau intelligent de chaînes de valeur cybernétique). Un projet qui regroupe 6 universités québécoises ainsi que deux Centres collégiaux de transfert de technologie (CCTT). 

Le réseau est codirigé par Mohamed Cheriet, directeur administratif et professeur au Département de génie des systèmes de l'École de technologie supérieure (ÉTS) et par la professeure Soumaya Yacout qui agit à titre de directrice scientifique. Ali Aidibe, chercheur et enseignant à Polytechnique Montréal et à l'ÉTS, assure quant à lui la coordination. En plus des deux universités de génie montréalaises, le réseau inclut l'Université Concordia, l'Université de Sherbrooke, l'Université Laval et l'Université du Québec à Montréal, ainsi que les centres collégiaux de transfert technologique Jacobb, associé au Collège John Abbott, et Productique Québec, lié au Cégep de Sherbrooke. 

Chaque institution développe son propre environnement expérimental -- un « nœud » -- avec une spécialisation distincte. « L'objectif à terme est de connecter tous ces nœuds pour créer un réseau distribué, explique Pre Yacout. Avec lui, on pourra simuler des chaînes de production complètes à l'échelle du Québec, qui incluent même le transport. 

L'outil d'usinage dans son boitier fabrique des pièces commandées fictivement en ligne par des « clients » et sont ultimement acheminées à « destination » après l'intervention d'une série d'étapes automatisées. (Photo : Laboratoire SCP-I)

À terme, un produit fabriqué dans un laboratoire pourrait être pris en charge par une autre installation, tout en étant suivi en temps réel d'un site à l'autre -- à l'image des grandes chaînes logistiques contemporaines. 

Cofinancé à hauteur d'environ 12 millions de dollars par la Fondation canadienne pour l'innovation (FCI) et le gouvernement du Québec, le réseau a également bénéficié d'une subvention FONCER de plus de 3 millions de dollars du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) pour soutenir la formation de près de 400 travailleurs hautement qualifié en systèmes manufacturiers 4.0. 

Le regroupement a déjà une collaboration à son actif avec l'entreprise Solutions Serafin, spécialisée dans la maintenance de flottes de bus électriques et des véhicules lourds. Mené en collaboration entre deux noeuds du réseau CEOSNet, soit SCP-I de Polytechnique Montréal et Synchromedia de l'ÉTS, ce projet a notamment permis d'appliquer les concepts du réseau à des enjeux concrets liés à la maintenance 4.0 des bus électriques. 

Dans un contexte où les chaînes d'approvisionnement sont de plus en plus interconnectées et imprévisibles, cette approche pourrait transformer la manière dont les entreprises planifient, pilotent et optimisent leurs opérations. 

Professeure Yacout donnera un aperçu des visées du Laboratoire des systèmes cyber-physiques intelligents, lors de deux webinaires qui se tiendront les 26 et 27 mai prochain, en français et en anglais, respectivement. Pour y prendre part, s'inscrire en suivant ces liens : 

• Le mardi 26 mai (en français) 
• Le mercredi 27 mai (en anglais) 

En savoir plus 

• Fiche d'expertise de la professeure Soumaya Yacout 
• Site web du Département de mathématiques et de génie industriel