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Méthodologie de Modélisation des Systèmes - Grenoble INP - G2Elab

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Méthodologie de Modélisation des Systèmes

Un framework de modélisation des systèmes d'énergie électrique, intégrant l'interopérabilité des modèles, des outils experts, et des services

Aujourd'hui, le défi est de parvenir à une conception efficace de tout un système d'énergie électrique, en tenant compte des différents domaines de la simulation (physiques ou non), et des différents experts avec leurs propres outils. Une modélisation globale du système, en tenant compte de ses différents composants, doit être effectuée en utilisant des approches d'interopérabilité. 3 approches peuvent être envisagées [1] :

  • Interopérabilité des modèles, basée sur les langages objets Modelica ou VHDL-AMS
  • Interopérabilité des codes, basée sur des standards de composants logiciels MUSE / FMI 
  • Interopérabilité des services, basée sur les standards de web-services.

Les principaux concepts à mettre en œuvre dans l’interopérabilité sont:

  • la traduction automatique du modèle d'un langage de modélisation à d'autres
  • les concepts de plug-in et plug-out, qui assurent la production et l'utilisation de composants logiciels, d'outils de modélisation vers d'autres.
  • la spécification de services réutilisables, et leur publication.

1. Approches de conception du système

Différents formalismes doivent donc être considérés 

  • Un langage standardisé de modélisation (VHDL-AMS ou MODELICA) est plutôt utilisé pour la simulation au niveau système. Il fournit un modèle explicite (boîte blanche), fortement couplé avec d'autres modèles (mécanique, économique ...). Mais, il n'est pas facile d'introduire des modèles tels que ceux décrits par des équations aux dérivées partielles 2D / 3D ou d'autres formalismes de modélisation telles que la modélisation multi-agents.
  • Les normes de composant logiciel (MUSE / FMU), sont une approche complémentaire pour les modèles complexes, offrant un code compilé binaire "boite noire". Il s'agit de modèles portables et bien adaptés à la réutilisation, exposants seulement leurs services. Le système est donc construits par un assemblage (couplage faible) de composants. 
  • Les standards d’interopérabilité de services s’appuient désormais sur les couches de communication HTTP - TCP/IP - Ethernet, via les Web-Services. Les web-services sont de plus en plus disponibles au niveau des équipements physiques (capteurs, automates, etc.), au niveau de services de prévision (météo, prix de l’énergie, etc.) et s’ouvrent désormais au niveau des modèles de calcul, en phase d’exploitation (pilotage anticipatif) mais aussi en phase de conception, notamment en conception collaborative.

Les trois approches ont des propriétés intéressantes pour réaliser la modélisation du système, en particulier pour régler les problèmes d'interopérabilité des outils de modélisation experts.

Comme l’illustre la figure suivante, une structure hiérarchique à 3 niveaux de granularité peut être définie en termes de réutilisation. Le concept de services qui agrège celui de composants, agrégeant lui-même celui d’objets. Chaque couche offrant ses propriétés entre terme de compromis de dynamique et de force de couplage.

fig 1 approches objet/composant/service

2. Un framework pour la modélisation système

Comme l'illustre la figure 1, l'interopérabilité entre les outils de modélisation et de simulation est assurée par notre norme MUSE (www.muse-component.org) et / ou d'autres normes (FMU...) [2-4]. 

Le framework CADES (http://www.cades-solutions.com) implémente cette méthodologie.
Le BUS à composant permet l’interopérabilité entre les langages, les composants et les services.


  
fig 2 interopérabilité

3. Application aux systèmes mécatroniques : simulation dynamique de composants électromagnétiques

4. Application au système bâtiment : simulation dynamique multi-physique

Thèse Sana Gaaloul  « Interopérabilité basée sur les standards Modelica et composant logiciel pour la simulation énergétique des systèmes de bâtiment ». Université de Grenoble, 2012



fig 4 interopérabilité entre les outils experts bâtiment et les environnements de simulation dynamique 

5. Le projet open source WEST (Web Energy Services and Tools)

Initié dans l’ANR MAEVIA (G2ELAB – G. SCOP – Postdoc – A. Kashif), développement interne G2ELAB, et soutenu par Halias Technologies (2 stagiaires dont F. Arnoux), vise à mettre à disposition les composants logiciels FMU sous la forme de Web-Services [2-5]

 

fig 5 WEST architecture 

5. Orchestration de services web multi-métier

Thèse Abbass Raad, Projet ANR Cosimphy (ANR-13-VBDU-0002)

La couche immédiatement supérieure à la couche « services » correspondra à l’orchestration de services ou workflow, c'est-à-dire l’enchaînement de ceux-ci de manière séquentielle ou parallèle, bouclé, conditionnel, synchrone ou asynchrone, etc. Ceci se réalise dans le cadre conceptuel des Architectures Orientées Services (en anglais SOA).
L’illustration suivante présente un Web service d’aide à la décision qui optimise un modèle global accessible par web-service, lui-même orchestrant des web-services métiers [2;3].

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Exemple d’orchestration entre service de calculs et services d’aide à la décision pour la conception de bâtiments

Références :

[1] Benoit Delinchant « Les paradigmes successifs d’objets, de composants et de services », pages 47-50 dans La CAO et l'optimisation de systèmes, une approche par couplages dynamiques de composants, HdR Université de Grenoble, 2011
[2] Abbass Raad, Vincent Reinbold, Benoit Delinchant, Frédéric Wurtz, “Energy building co-simulation based on the WRM algorithm for efficient simulation over FMU components of Web Service”, BS’15, Building Simulation Conference, Hyderabad in December 7-9, 2015.
[3] Abbass RAAD, Vincent Reinbold, Benoit Delinchant, Frédéric Wurtz “FMU software component orchestration strategies for co-simulation of building energy systems”, TAEECE’15, IEEE International Conference on Technological Advances in Electrical, Electronics and Computer Engine, LIBAN, 2015
[4] Widl, Edmund, Delinchant, Benoit ; Kubler, Svea ; Dan Li ; Muller, Wolfgang ; Norrefeldt, Victor ; Nouidui, Thierry Stephane ; Stratbucker, Sebastian ; Wetter, Michael ; Wurtz, Frederic ; Zuo, Wangda “Novel simulation concepts for buildings and community energy systems based on the Functional Mock-up Interface specification” Workshop on Modeling and Simulation of Cyber-Physical Energy Systems (MSCPES), 2014, pp 1-6, Berlin, Germany, April 2014
[5] Benoit Delinchant, Frédéric Wurtz, João Vasconcelos, Jean-Louis Coulomb "Framework for the optimization of online computable models", COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Vol. 33 Iss: 3, pp.745 – 758, 2014
[6] Baraston, A., Gerbaud, L., Reinbold, V., Boussey, T., & Wurtz, F. (2016). Multiphysical approach including equivalent circuit models for the sizing by optimization. COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 35(3), 871-884.

Contacts :

Benoit.Delinchant[ at ]g2elab.grenoble-inp.fr
Laurent.Gerbaud[ at ]g2elab.grenoble-inp.fr
Frederic.Wurtz[ at ]@g2elab.grenoble-inp.fr

 
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