Direction artistique : Élisabeth Hébert

Conception graphique de la couverture : Pierre-André Gualino

Illustrations de couverture : Chesky/shutterstock

Mise en pages : Nord Compo

© Dunod, 2020

11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff

www.dunod.com

ISBN : 978-2-10-081403-9

Introduction

Le jumeau numérique est un concept récent dans le monde industriel mais son essor depuis 2017 est impressionnant, à tel point que certains parlent de buzz word, c’est-à-dire de mot à la mode. En effet, on peut être tenté d’y voir une simple mode, d’autant que les contours de ce concept sont encore flous ; on dénombre plus de 50 articles de recherche proposant chacun une nouvelle définition du terme digital twin. Mais cette confusion des premiers pas ne doit pas cacher l’énorme enjeu que représente le jumeau numérique pour le domaine industriel car il est l’un des piliers de l’Industrie 4.0 en permettant la fusion des espaces physique et virtuel pour créer le système cyber-physique sur lequel est basée la 4e révolution industrielle.

Dans une industrie en pleine transformation, en quête de compétitivité, d’efficience et d’accroissement de valeur ajoutée, le jumeau numérique permet une meilleure transversalité pour l’ensemble des acteurs de la chaîne de valeur, tant en interne qu’en externe, et cela allant du concepteur à l’exploitant. Le déploiement de cette technologie, porté par l’innovation ainsi que par le besoin de réduire les coûts et le temps de développement des produits, est aussi accéléré par le déploiement de l’IioT et du Big data.

Surtout présent en Allemagne, en Chine et aux États-Unis, le jumeau numérique est encore peu connu en France. Pourtant, la variété de ses applications combinée à un contexte technologique et économique très favorable à son développement fait que le jumeau numérique fera bientôt partie de notre quotidien. Car il permet non seulement de renforcer la performance des produits, d’anticiper les étapes de leur cycle de vie, mais aussi d’optimiser les performances des lignes de production ou de développer de la maintenance prédictive.

Dans l’aéronautique, où le jumeau numérique est né, il permet de simuler les réactions physiques des engins, de surveiller le fonctionnement des systèmes et d’assurer la sécurité des équipages. Dans la construction, il permet de vérifier comment le bâtiment évolue dans son environnement, de déterminer l’ampleur des travaux ou les éventuels problèmes de sécurité à venir. Dans l’industrie automobile, il contribue à la sécurité des véhicules en contrôlant les systèmes ou les pièces devant être remplacées et en alertant les équipes de maintenance. Chacun pourra, au travers du jumeau numérique, développer des opportunités de créer une continuité numérique lui permettant de faire évoluer tant ses services que son modèle économique.

Nous sommes enseignants-chercheurs dans une école d’ingénieurs et responsables du projet Industrie du futur (Digital Factory & Manufacturing) au sein du laboratoire UMR CNRS LabSTICC, donc fortement impliqués auprès des entreprises. Notre travail alliant formation, recherche et transfert industriel, nous sommes régulièrement témoins de l’importante dichotomie entre les discours politiques et stratégiques, les recherches académiques et la réalité du terrain chez nos partenaires industriels. Il y a deux ans, nous écrivions un premier ouvrage sur l’usine du futur1 dans lequel nous exprimions, concernant le jumeau numérique : « C’est une technologie en fort développement dans le domaine de l’industrie car ces applications sont multiples : dans le domaine de la conception pour vérifier en amont très tôt les qualités du produit ou du système ; dans le domaine de la formation pour générer un avatar numérique qui interagit par la réalité virtuelle avec l’utilisateur à former ; dans le domaine de la surveillance pour simuler en parallèle le fonctionnement du système réel et signaler les dérives de comportement ; dans le domaine du fonctionnement où un modèle numérique intégré au système automatisé lui permet de s’autocorriger en cas de dérive de comportement et s’auto-adapter en cas d’évolution du contexte. »

Depuis, le jumeau numérique a continué à se développer et surtout à s’imposer comme un défi pour tous, défi non seulement technique, mais également organisationnel et humain ; il nécessite la collaboration de l’ensemble des acteurs pour créer un outil efficient et respectueux de l’humain. Ce livre fait donc le point sur cette idée émergente afin de répondre à de nombreuses questions qu’elle soulève ; il est évident qu’on peut s’attendre à de fortes évolutions dans les prochains mois. Cependant, le but de cet ouvrage est d’informer, d’éclairer et de fournir des pistes de réflexion aussi bien pour le grand public que pour les professionnels et les responsables qui s’interrogent sur les méthodes et les outils à mettre en place. Ce livre propose une première approche des différentes problématiques et une méthodologie générale pour la mise en œuvre d’un jumeau numérique dans un contexte industriel. Nous avons voulu faire un ouvrage concret et abordable par tous, illustré de nombreux exemples et témoignages et nous nous sommes focalisés sur les concepts plutôt que les techniques en elles-mêmes afin de communiquer des notions pérennes tout en étant efficaces car les techniques décrites aujourd’hui risqueraient d’être rapidement obsolètes.

Le livre est composé de trois parties : la première partie donne les éléments de contexte, la deuxième les enjeux et les moyens, la troisième développe la mise en œuvre.

Dans la première partie, vous trouverez dans le chapitre 1 une introduction aux principes clés de l’Industrie 4.0 ou Industrie du futur dont le jumeau numérique est un élément majeur ; ce chapitre reprend le contexte de la transition numérique dans l’industrie et les conclusions de notre premier ouvrage en définissant une nouvelle vision de l’entreprise, performante, agile et responsable. Le chapitre 2 rappelle l’historique de la notion de jumeau numérique, ses différentes définitions et les technologies clés sur lesquelles il repose, avant d’introduire notre vision intégrant les aspects modèles, usages et applications. Le chapitre 3 propose un panorama du numérique dans l’industrie, les données, les outils et les modèles.

La deuxième partie propose d’examiner l’intérêt de mettre en place le jumeau numérique dans ce contexte. Le chapitre 4 expose l’impact pour l’entreprise, les secteurs d’activité concernés, les bénéfices attendus et les défis à surmonter. Le chapitre 5 développe toutes les applications possibles dans le monde industriel et le chapitre 6 donne quelques premiers éléments d’une démarche de déploiement illustrés par des témoignages d’industriels proposant des outils.

La troisième partie détaille la structure et l’organisation que nous proposons pour développer votre propre jumeau numérique. Le chapitre 7 expose comment on peut recueillir les données et les assembler ou les transformer en modèles. Le chapitre 8 indique l’ensemble des usages qui pourront être construits sur ces modèles et la structure d’une architecture du jumeau numérique basée sur les usages. Le chapitre 9 indique le développement des applications à partir des usages ; ce chapitre donne également la parole à des experts industriels qui partagent leur expérience de la mise en œuvre du jumeau numérique.

Comment lire ce livre ? À votre rythme et selon votre besoin… Soit en suivant la progression qui vous est proposée en allant de plus en plus vers les aspects techniques, soit en allant chercher plus particulièrement les informations liées à un thème spécifique. Un glossaire en fin d’ouvrage vous guidera dans la multitude des termes techniques et des abréviations en français et en anglais.

Notes

1. N. Julien, E. Martin, L’Usine du futur – Stratégies et déploiement, Éditions Dunod, 2018.

Partie 1

Un élément clé de la transition numérique

Chapitre 1 ■ L’Industrie du futur 

Chapitre 2 ■ Les différentes formes du jumeau numérique

Chapitre 3 ■ Le numérique dans l’industrie

Chapitre 1

L’Industrie du futur

Ce chapitre introduit le concept d’Industrie du futur, réponse indispensable à la transition numérique que vit notre société, et les paradigmes qui l’accompagnent. Il rappelle qu’il est nécessaire pour le monde industriel d’évoluer vers une nouvelle vision de l’entreprise, performante, agile et responsable.

1.1 Une transformation de la société

Notre société connaît une profonde mutation liée aux technologies numériques. Avec 150 milliards d’objets connectés annoncés dans le monde de 2025, la collaboration et la personnalisation deviennent deux éléments clés de notre vie quotidienne. Ce n’est plus seulement notre façon de communiquer qui évolue, mais aussi notre mode de vie, nos moyens d’interagir dans la société, jusqu’à transformer notre façon de penser, nos exigences et notre vision du travail. Notre manière de consommer en est donc impactée, nos besoins et nos attentes en termes de produit comme de service ont grandement évolué vers plus de qualité, de personnalisation de produit, d’accompagnement par les services mais aussi d’éthique avec l’impact environnemental et sociétal. De plus, l’innovation dans les usages est devenue plus importante que l’innovation dans les technologies.

1.1.1 Le consomm’acteur

L’utilisateur fait de nos jours un usage incessant des outils numériques pour s’informer, pour consommer, pour établir des liens sociaux… Il a donc de nouvelles attentes comme une personnalisation de plus en plus poussée, des variations rapides avec des nouveautés constantes, des délais de livraison courts avec des modes de livraison adaptés, un niveau d’exigence élevé, une réactivité à ses besoins… Grâce au développement des moyens d’accès et de partage de l’information, il est mieux informé et devient influent ; les forums deviennent des contre-pouvoirs puissants pour accepter ou rejeter rapidement un produit. Le client doit être observé pour être connu et identifié, il s’attend à être mieux écouté, impliqué dans la définition de l’offre voire dans la conception du produit car il se sent de plus en plus concerné par ce qu’il consomme et établit un lien très personnel avec les marques ; pour qualifier ces nouveaux comportements, on parle de consomm’acteur ou de prosommateur (pour producteur-consommateur) pour reprendre l’expression de l’économiste Jeremy Rifkin.

1.1.2 L’expérience utilisateur

Nombre de produits du quotidien sont devenus complexes, comprenant des composants mécaniques, électroniques et de l’informatique embarquée. Ils incorporent une part grandissante de logiciels pour fonctionner et deviennent ainsi intelligents et communicants. Cependant, cette complexité se doit d’être transparente pour s’effacer au profit de l’expérience utilisateur qui occupe une place prééminente dès la conception.

L’expérience utilisateur définit le ressenti de l’usager et sa perception de la qualité du produit ; cela intègre donc l’ensemble des prestations et services associés au produit final. Pour répondre à ces nouveaux besoins, les entreprises doivent donc développer non seulement le design et l’ergonomie aussi bien matérielle que logicielle mais également la connaissance de leurs clients en instaurant avec eux un climat de confiance et de collaboration. Une première possibilité consiste à intégrer des capteurs remontant des informations sur l’utilisation du produit, son paramétrage et les habitudes du client. On peut aussi associer les clients au processus de conception, en leur donnant la possibilité de donner leur avis, par exemple via les réseaux sociaux.

Nous sommes donc à présent dans une économie de la fonctionnalité, basée sur la valorisation de l’usage et du service. Il s’agit de proposer une solution complète à la demande client intégrant de plus en plus de services accompagnant le produit qui se transforme ainsi en une véritable plateforme à partir de laquelle le fabricant peut fournir un bouquet de services à valeur ajoutée : réglage personnalisé du produit, télémaintenance, mise à jour fonctionnelle, conseils autour de l’utilisation… Certains parlent alors de méta-produit. Un méta-produit est fortement axé sur le client, intelligent et personnalisable, intégrant des unités sensorielles/informatiques, puisant de l’information distribuée dans le Cloud, avec une tendance de production collaborative (à travers Internet) de produits configurables et intelligents. Les fonctionnalités requises d’un nouveau méta-produit seront configurées par les utilisateurs finaux ; ceci touche aussi bien les vêtements personnalisés que les robots de production et d’assistance.

1.1.3 La notion de travail évolue

On va vraisemblablement assister sur les prochaines années à une transformation des emplois et de la notion même de travail. En effet, de plus en plus de travailleurs recherchent autonomie et flexibilité comme le confirme l’augmentation de l’auto-entreprenariat. De plus, le travail à la demande se généralise et le travail à distance devient possible notamment avec le jumeau numérique ; dans les usines virtuelles, nul besoin que l’expertise soit dans l’usine. Les jeunes générations sont beaucoup plus à l’aise avec les technologies numériques mais ils sont aussi plus exigeants vis-à-vis de leurs employeurs. Ils recherchent un travail qui ait du sens, des entreprises qui affichent leurs valeurs ; ils sont souvent difficiles à fidéliser dans une entreprise car ils n’hésitent pas à changer d’emploi ou à le cumuler avec une autre activité très différente plutôt que de se définir par leur seule carrière. Ils le revendiquent même et les slashers (personnes qui ont plusieurs activités) seraient plus de deux millions en France.

Dans certains pays et pour certains secteurs de l’industrie, il devient donc très difficile de recruter sur des postes à faible valeur ajoutée. De plus, on estime que 75 % des métiers actuels de l’industrie ont une probabilité forte d’être automatisés partiellement ou totalement ; les emplois directs sur la ligne de production seront probablement les plus touchés. On peut prévoir une période de transition avec la disparition et la transformation de certains emplois avant que de nouveaux émergent, autour de services ou d’activités innovantes. De nouvelles compétences deviennent nécessaires dans l’entreprise comme dans la société et de nouveaux métiers s’imposent, comme le data scientist, capable de traiter et d’interpréter les données métiers pour en extraire de la connaissance.

1.1.4 Une collaboration humain-système

L’iconomie définit une économie numérique qui serait parvenue à sa pleine efficacité ; elle décrit cette évolution du travail comme le passage de la main-d’œuvre au « cerveau d’œuvre » qui représente la collaboration entre le cerveau humain et l’automate ou la ressource informatique. Les tâches répétitives ou pénibles sont automatisées pour laisser l’humain s’occuper de la conception de produits nouveaux, des traitements des cas particuliers et des aléas, des services… Donc l’humain se charge des tâches à plus forte valeur ajoutée pour les parties le plus en interaction avec le client, l’expertise et le pilotage, plus valorisantes mais nécessitant plus de compétences. Malgré les progrès des interfaces humain-machine, chacun devra adapter son rôle et ses compétences aux nouvelles technologies. On peut également permettre à l’opérateur de se former via un OTS (Operator Training Simulator), environnement dynamique qui reproduit les conditions du process industriel.

Avec la dématérialisation et l’interconnexion des produits, des machines et des individus, les communications quasi instantanées via un réseau d’interconnexion mondial, les frontières spatiales, économiques, sociales sont abolies. Le volume des données explose, l’information est certes accessible, mais peu savent véritablement exploiter ces données pour en extraire des connaissances qui vont permettre l’innovation indispensable pour répondre à des besoins qui évoluent très vite.

La donnée est devenue le moteur de l’évolution des entreprises. Car auparavant, la donnée, et la connaissance qui en découle, étaient considérées comme des objectifs. L’universalité et l’accessibilité des données dans notre société actuelle en font à présent des moyens pour donner un sens au travail, le décharger des aspects pénibles, répétitifs et le rendre attractif. L’information étant accessible, ce qui donne du sens, c’est de comprendre ce qu’on fait et pourquoi, comment on le fait et comment on interagit avec les autres, mais également comprendre ce que font les autres, pourquoi et quels sont leurs besoins.

1.2 La 4e révolution industrielle

Digital manufacturing, smart factory, usine du futur, Industrie 4.0… les termes pour qualifier la transition numérique dans l’industrie foisonnent. L’Industrie du futur serait la marque de la 4e révolution industrielle. La 1e révolution se déroule de 1760 à 1840 avec la machine à vapeur qui permet la production mécanisée et les chemins de fer. La 2e révolution démarre à la fin du xixe siècle avec la production de masse grâce à l’électricité et les chaînes de montage. La 3e révolution industrielle émerge dans les années 1960 avec la naissance de l’informatique et la robotisation. La 4e révolution a lieu maintenant avec l’interconnexion des moyens de production et le développement de l’intelligence artificielle. Les changements qu’elle implique se diffusent beaucoup plus rapidement que les précédentes.

1.2.1 Dans le monde

C’est l’Allemagne qui a été le précurseur avec le concept Industrie 4.0 issu d’une réflexion regroupant les mondes industriel, politique et académique dès les années 2000. Y voyant l’opportunité de redevenir compétitifs et de recréer des emplois, l’ensemble des pays industriels matures ont par la suite décliné leur propre programme de renouveau industriel, vite suivis par les pays émergents.

En Europe, l’ensemble des pays ont suivi l’initiative allemande. Horizon 2020 du 8e PCRD est un programme européen incluant l’initiative Factories of the Future (FoF), partenariat public-privé de recherche et développement visant à aider les entreprises manufacturières à faire face à la concurrence internationale en soutenant le développement de technologies clés génériques (KET) à l’usage des différentes industries de fabrication. La Commission européenne s’est engagée à fournir des financements à hauteur de 1 150 M€ (sur 7 ans) pour soutenir le développement de nouvelles techniques et de nouveaux systèmes de production pour l’industrie de fabrication.

En France, le projet Industrie du futur a été lancé en 2015. L’objectif est de relancer le secteur industriel français en comblant son retard, en modernisant l’appareil productif et en accompagnant sa transformation numérique afin de s’adapter aux nouveaux usages et gagner en compétitivité. Ce projet, similaire au plan allemand mais donnant une part plus importante à l’humain et à l’énergie, est piloté par l’Alliance Industrie du futur.

Le fait de réaliser sur le territoire des tâches complexes et innovantes, en proposant de plus petites séries et en s’adaptant rapidement à la variation de la demande, constitue une réponse forte à la concurrence internationale et la délocalisation dont on perçoit aujourd’hui les limites avec les problèmes de qualité et de compétences. Cela nécessite de repenser notre modèle de production et d’élargir la vision du produit.

1.2.2 Digital factory et digital manufacturing

Cette 4e révolution qu’est l’Industrie du futur représente un système global inter-communiquant avec des usines flexibles, intégrées et connectées. Toutes les briques technologiques sont déjà existantes : objets connectés et capteurs, automates, robotique, mobilité, Big data et Cloud, biotechnologies, énergies renouvelables, intelligence artificielle, stockage de l’énergie électrique, nouveaux matériaux… C’est justement la conjonction de toutes ces possibilités et leur combinaison qui offre un énorme potentiel d’évolution.

Reposant sur ces technologies existantes ou émergentes, il s’agit de repenser aussi bien la façon de piloter l’entreprise que la façon de produire avec une refonte complète de l’organisation de l’entreprise dans un monde où les outils numériques font tomber la cloison entre industrie et services. Il ne s’agit donc pas seulement de moderniser l’outil de production mais bien de revoir en profondeur les modes de production, les organisations et les relations avec le consommateur en utilisant les technologies numériques. Cette révolution numérique comporte deux domaines : le pilotage avec la digital factory et le façonnage avec le digital manufacturing.

Les usines connectées ou digital factory reposent sur la modélisation numérique des processus et la mise en réseau des machines, des produits et des individus aboutissant à une production flexible, économe et intelligente accompagnée de services personnalisés. Le digital manufacturing intègre des technologies comme la mécatronique, l’intelligence artificielle dans des techniques de façonnage comme l’impression 3D, la cobotique… La base de ces deux approches est le système cyber-physique.

1.2.3 Les systèmes cyber-physiques

Longtemps la production a reposé uniquement sur la partie physique de l’équipement. La 3e révolution industrielle a introduit des contreparties virtuelles aux composants physiques à travers la CAO, la modélisation 3D et la simulation. Les deux espaces évoluaient en parallèle. La 4e révolution propose de fusionner les espaces physique et virtuel en un système cyber-physique. Les systèmes cyber-physiques (SCP) sont définis comme des systèmes embarqués qui utilisent des capteurs pour récupérer des données et qui agissent sur des processus physiques au moyen d’actionneurs. Ils sont connectés les uns aux autres via des réseaux digitaux, utilisent toutes données et services disponibles mondialement et bénéficient d’interfaces humain-machine multimodales.

L’acquisition de données en temps réel permet d’affiner les modèles. Le jumeau numérique ou digital twin représente la partie qui doit être ajoutée à la partie physique pour la transformer en un système cyber-physique. C’est un modèle logiciel dynamique d’un objet ou d’un système réel qui repose sur des données de capteurs ; on peut le qualifier de modèle vivant car il va suivre voire anticiper les évolutions de sa contrepartie physique afin de détecter des problèmes, tester et simuler des scénarios sur le modèle physique d’une unité de production.

Compte tenu de ce nouveau contexte international, on peut en déduire des objectifs pour les entreprises qui souhaitent effectuer leur transition numérique en identifiant trois axes majeurs pour caractériser l’Industrie du futur : une entreprise performante, agile et responsable.

1.3 Une entreprise performante

Les notions de performance et d’efficacité s’élargissent en incluant non seulement les coûts, mais aussi la qualité, la variété et la personnalisation des produits et des services, la rapidité, la flexibilité, l’innovation et le développement durable. Bien plus que la seule nécessité de repenser complètement les méthodes et les moyens de production, c’est toute l’organisation de l’entreprise qui doit changer et s’adapter.

1.3.1 Transformer les organisations

D’abord, l’entreprise doit adopter une approche centrée sur le client ou client centric à tous ses niveaux. La notion de satisfaction du besoin du client doit devenir une notion essentielle et omniprésente. Ensuite il devient nécessaire d’adopter une démarche multifonctionnelle, afin d’associer produits et services, matériels et logiciels, et assurer la continuité numérique tout au long du cycle de vie du produit. La conception doit être collaborative et les équipes de développement multidisciplinaires, alliant compétences matérielles et logicielles, fonctionnent en mode projet.

■ L’excellence opérationnelle

L’excellence opérationnelle, démarche systématique et méthodique menée dans l’entreprise, a pour but l’amélioration continue des procédés de production, tant en termes de productivité et de qualité des produits que de réduction des coûts de toute nature. Cette démarche utilise une grande variété de concepts, méthodes, techniques ou outils dont : le 5S pour l’aménagement du poste de travail, le Kaizen pour l’amélioration continue, le lean management pour réduire les pertes, le management visuel… L’excellence opérationnelle, en se focalisant sur la satisfaction du client final, favorise la pérennisation des activités.

■ La qualité

Aujourd’hui, la gestion des étapes de contrôle qualité est grandement facilitée par la numérisation, qui permet de suivre en permanence l’avancée des processus de production en ayant une vision qualitative sur les tâches qui ont été complétées et celles restantes. L’entreprise peut vérifier la conformité du produit fabriqué, au travers de son jumeau numérique en temps réel, en vérifiant aussi bien les caractéristiques physiques que la fonctionnalité. La modélisation numérique du processus qualité est donc un formidable outil permettant une traçabilité optimale des produits durant leur fabrication et un gage supplémentaire de qualité pour le client final. On pourra détecter au plus tôt les dérives du process.

■ La rapidité

En gommant les frontières géographiques, le numérique accentue les effets de la mondialisation et intensifie la concurrence. L’évolution des produits s’accélère, les délais de mise sur le marché se raccourcissent. Le consommateur a une soif accrue de nouvelles technologies incluant plus d’efficacité, davantage de nouveautés et de services. Les cycles technologiques sont de plus en plus courts, la durée d’une rupture technologique n’excède pas les deux ou trois ans avant d’entrer dans la phase de banalisation ; l’innovation incrémentale, quant à elle, dépasse rarement les six ou huit mois. Autre difficulté, les besoins des consommateurs évoluant rapidement, les services connectés ont une durée de vie beaucoup plus courte que le produit auquel ils sont associés, par exemple pour l’automobile où un modèle est généralement remplacé après six ans mais pour laquelle il faut pouvoir proposer régulièrement de nouveaux services. Il faut donc anticiper, dès la conception du produit physique, les éléments qui permettront l’implantation de services non encore définis.

■ L’importance de la supply chain

La chaîne logistique globale, ou supply chain, intègre la fonction stratégique d’intégration et d’optimisation globale des flux du fournisseur au client. Cette vision étendue de la chaîne logistique aboutit au partage de l’information et des prises de décisions en reposant sur l’intégration des systèmes d’information inter-entreprise (par exemple usine-fournisseurs).

Dans cette course, la livraison devient un atout commercial important. La notion de supply chain remplace le juste à temps et le flux tendu, ce qui permet de réduire les stocks, source de coûts majeure, en améliorant la traçabilité et en maîtrisant la consommation énergétique. Les flux sont complexifiés et les données à gérer augmentent ; afin d’optimiser les ressources, les grands acteurs de la logistique, du transport et de la distribution développent actuellement des solutions alliant pour les entrepôts et les transports, l’automatisation, la massification, la mutualisation, l’agilité et la modularité.

Une industrie qui repose sur des usines de petite taille interconnectées et des procédés multifonctions et agiles élimine les stocks, puisque chaque produit peut être réalisé à l’unité sur commande, en limitant, voire en éliminant les transferts de pièces entre sites. Au sein de l’usine, un produit est très tôt associé à une commande client, limitant les stocks intermédiaires, et la production est moins sensible aux aléas de la chaîne logistique. On peut même mettre en œuvre le principe du dynamic pricing des sociétés de services où le prix du produit varie en fonction du modèle, mais aussi en fonction du délai de sa fabrication.

1.3.2 Une usine tournée vers le client

Les exigences variées, pressantes et changeantes du client pilotent la production. C’est l’approche client centric, tournée vers les besoins et attentes des clients, capable d’offrir la différenciation des produits par une configuration personnalisée, de garantir la qualité et la traçabilité des produits et de fournir des solutions complètes avec les services associés.

■ La connaissance du client est stratégique

La connaissance des clients et l’exploitation de ces données par le Big data et le Data mining devient donc un enjeu majeur pour les entreprises. Le rôle des CRM (Customer Relationship Management) qui gèrent la donnée client évolue vers le CX (Customer EXperience) qui retrace l’expérience client. Ces logiciels concentrent dans un espace unique toutes les informations qui sont rattachées au client (lead marketing, opportunités, historique, contrats en cours, données SAV, données commerciales, litiges…), indépendamment du canal utilisé par le client pour entrer en contact avec la société (call center, e-mail, courrier, site web, médias sociaux…).

■ La personnalisation de masse

L’agilité est indispensable afin de s’adapter en temps réel aux évolutions de la demande des consommateurs finaux : des produits fabriqués en masse mais personnalisés, répondant exactement à leur besoin, offrant un niveau de qualité supérieur et donnant lieu à des services inédits. La flexibilité très élevée de l’outil de production permet de répondre à une demande croissante de différenciation, tout en conservant des coûts unitaires de production comparables à ceux de la production de masse. On parle alors de personnalisation de masse. On est donc sur un réseau d’usines capables de fabriquer des produits sur un socle commun, mais adaptés aux besoins instantanés des marchés locaux. Leur flexibilité leur permet de mettre en place une personnalisation pour satisfaire les goûts de chaque client, tout en proposant différents niveaux de gammes. Cela implique l’usage de moyens de production connectés et partageant leurs informations au niveau mondial, mais également flexibles et acceptant des changements de série rapides grâce à l’automatisation, ou l’introduction de nouveaux produits sans perturber son fonctionnement grâce à la virtualisation. Plus réactive, l’usine peut également suivre de nouveaux modes de pilotage et d’organisation de la production, par exemple en concentrant certaines fabrications consommatrices aux moments où l’énergie est la moins chère.

1.3.3 Une usine innovante

Face à la mondialisation et à l’étendue des possibilités offertes par les technologies, la capacité d’innovation devient un facteur clé de différentiation et de performance, quel que soit le secteur. Elle doit devenir un axe fort de développement de l’entreprise. Le rythme effréné de l’évolution des technologies et des connaissances scientifiques associées ainsi que leur diffusion massive sont des sources permanentes d’innovation, aussi bien au niveau des solutions et des usages que des techniques et des organisations de production, mises au point en les simulant et en les optimisant en réalité virtuelle. Pour y arriver, les entreprises n’ont d’autre choix que de concevoir leurs produits différemment. Cela d’autant que les produits eux-mêmes évoluent et se complexifient.

■ Le client au centre de l’innovation

L’innovation doit apporter aux clients une solution largement plus performante et la possibilité d’une amélioration continue du service, pilotée par le client lui-même. En plus d’une veille stratégique pour surveiller les évolutions, détecter les acteurs innovants et anticiper les changements, l’entreprise devra favoriser l’innovation participative et collaborative.

Avec la personnification de masse, les coûts se concentrent sur le premier exemplaire (coûts de conception, de prototypage et de tests), avec des coûts de reproduction quasiment nuls. L’échec se joue autour de la recherche et développement et du prototypage, le problème des coûts de production devenant progressivement moins important. Au regard de ces mutations, les acteurs industriels doivent adapter leur processus de production et les modes de travail associés en intégrant les apports du numérique (innovation ouverte, FabLab…). L’open innovation consiste à s’ouvrir au monde des start-ups, laboratoires… pour créer des idées. On peut également utiliser des plateformes de prospective qui assurent, pour le compte de plusieurs entreprises non concurrentes, une activité de veille et d’identification des start-ups innovantes à fort potentiel, mais aussi le partage de bonnes pratiques et de ressources.

De même, se rapprocher des sources d’innovation comme les laboratoires de recherche, les écoles d’ingénieur et les universités est devenu un enjeu majeur des entreprises avec notamment les laboratoires d’innovation ouverts et collaboratifs, les hackathons, le financement d’incubateurs en commun avec d’autres entreprises, les plateformes… On voit que c’est toute l’organisation de l’entreprise qu’il faut repenser autour du client et son usage du produit/service et que tous les acteurs, dans et hors de l’entreprise, sont impactés par cette transformation.

1.4 Une entreprise agile

1.4.1 Une usine connectée

Une usine connectée en réseau avec ses fournisseurs et ses clients est capable de recomposer facilement sa chaîne de valeur pour s’adapter aux évolutions du marché et des technologies, et de développer l’intimité digitale avec ses fournisseurs et ses clients, propre à entretenir la confiance et favoriser l’innovation. Seule une approche système permet d’appréhender la complexité des systèmes de production nécessaires. Cela requiert des organisations légères, agiles, fonctionnant en réseau.

■ Le pilotage par les données

On va connecter les éléments constitutifs de la production : machines, pièces, produits, postes de travail… Équipés de capteurs et d’émetteurs, ces systèmes cyber-physiques communiquent entre eux et interagissent en continu, par le biais de réseaux, de passerelles d’adaptation et de plateformes d’échange de données.

Une condition indispensable à la mise en œuvre de l’usine connectée est bien sûr que tous ces systèmes interopèrent et communiquent entre eux. Ce prérequis nécessite la standardisation des interfaces et des protocoles de communication utilisés par les systèmes impliqués dans l’usine (automates, équipements informatiques…) et l’emploi de passerelles d’adaptation pour prendre en compte les équipements anciens.

Le flux des données numériques se déploie dans trois directions : un flux horizontal avec la communication entre machines connectées pour coordonner automatiquement la production, un flux vertical où un capteur dans une machine ou un produit peut remonter une information au système de MES ou d’ERP et un flux temporel tout au long du cycle de vie du produit, de la conception à l’usage par l’utilisateur final puis son recyclage. La masse de données ainsi produite et agrégée rend possible l’analyse permanente et instantanée de tout l’environnement de l’usine. Cette vue globale, complète et en temps réel de l’activité de production facilite la prise de décision.

Les données deviennent du smart data lorsqu’elles donnent des informations fiables sur l’utilisation et la performance et permettent d’identifier des opportunités d’amélioration. Par conséquent, le smart data et les algorithmes permettent une automatisation grandissante de nombreuses tâches de base aujourd’hui effectuées par des hommes.

■ Vers l’usine prédictive

Après l’usine définie par la production et le contrôle dans les années 1980, l’usine à flux tendu dans les années 2010, l’usine du futur est une usine prédictive. Les techniques de simulation numérique permettent l’évaluation prédictive et intégrée des performances du produit et du système de fabrication, la validation du pilotage de la production et l’analyse des situations de travail, dans un contexte multi-vues, multi-échelles et pluridisciplinaire. Le traitement des données facilite les prévisions de commandes et l’anticipation de l’allocation des ressources de l’entreprise (emplois, matières premières, machines, flux financiers…). L’application d’algorithmes d’optimisation et d’apprentissage avancés (faisant appel aux techniques d’intelligence artificielle) permet d’envisager une planification en temps réel de la production qui va élever encore le niveau d’optimisation en le rendant proactif par l’anticipation des tendances à venir : analyse prédictive des données d’évolution des ventes, gestion des stocks, maintenance prédictive, réorganisation de la ligne pour maintenir la cadence…

Le système de pilotage étudie, à chaque instant, chaque scénario possible et choisit celui qui permettra de satisfaire au mieux les conditions dictées par l’entreprise à l’instant t : en termes de productivité, de précision, de qualité, de coût de production, de consommation énergétique…

1.4.2 Une usine flexible

Une usine connectée par l’IioT et le Cloud permet de piloter la production de manière performante, avec des modes de production flexibles et des outils de production reconfigurables, tels les robots ou l’impression 3D, mis au point en les simulant et en les optimisant en mode virtuel, capable de fournir des produits et services individualisés à des prix compétitifs, en petite et moyenne quantités.

Ainsi numérisée et synchronisée, la production se caractérise par sa flexibilité et sa modularité. Elle peut se reconfigurer automatiquement et s’ajuster en fonction de la demande. Elle s’adapte aux variabilités (prix, volumes des matières premières, aléas de l’approvisionnement, pannes de machines, fluctuations de la qualité…) tout en conservant ses objectifs de qualité et de TRS optimisé. Il s’agit donc de passer d’un système de production communicant à un système intelligent, capable de se reconfigurer. Virtualisée et flexible, la chaîne n’est plus localisée géographiquement, la logique de production personnalisée à grande échelle et de lignes multiproduits devient envisageable.

■ Manufacturing as a Service

Le Manufacturing as a Service (MaaS) permet à une société d’adapter plus facilement son offre aux changements de la demande, de la technologie et des partenaires ou concurrents industriels. Dans l’approche MaaS, la fabrication devient un service qui accélère la relation entre l’usine et les acteurs de la chaîne de valeur d’un produit (de la conception à la livraison) afin d’optimiser les performances industrielles : les entreprises qui forment la chaîne de valeur se reconfigurent dynamiquement afin de s’adapter aux évolutions du marché. Ainsi une même société, peu importe sa taille, a l’opportunité de prendre part à plusieurs chaînes de valeur très différentes. Elle permet :

de partager les compétences de production des partenaires (gérer les flux, rentabiliser au maximum ses infrastructures) ;

de trouver plus facilement le meilleur partenaire capable de fabriquer aux bons coûts, qualité et délais ;

d’améliorer la collaboration entre les différents acteurs entrant en jeu dans la chaîne de valeur d’un produit afin d’optimiser les coûts, l’énergie et l’impact environnemental tout en répondant aux exigences de qualité ;

de démocratiser l’accès à la production aux TPE et start-ups en leur offrant un écosystème simple d’utilisation.

Pour cela, le producteur doit mettre à disposition le jumeau numérique de l’usine pour que le client ait une vision précise des capacités de production et puisse en tirer profit. Il est également possible de partager une ligne de production avec des clients.

1.5 Une entreprise responsable

L’industrie doit se réconcilier avec la société et s’insérer harmonieusement dans son écosystème en réduisant ses nuisances pour permettre son implantation au plus près des centres. Plus intégrée, plus connectée, économiquement compétitive, au cœur des territoires pour permettre la régionalisation de sa production, proche des acteurs de son écosystème, l’usine du futur rendra viable des petites structures avec des architectures de bâtiment favorisant l’intégration dans le paysage urbain.

1.5.1 Une usine propre

Les ressources limitées en matière et en énergie et la demande sociétale de développement durable aboutissent à une usine propre, silencieuse, impliquée dans son écosystème industriel, économe en matières premières et en énergie. D’une part parce que la législation va se renforcer et qu’il est plus facile d’anticiper que de réagir, d’autre part parce qu’il est évidemment rentable de diminuer ses pertes matières et énergétiques, mais surtout parce que cela va devenir un élément de plus en plus discriminant pour le client.

■ Écoconception

L’écoconception consiste à intégrer les problématiques environnementales dès la phase de conception afin d’en diminuer l’impact environnemental. Si l’on prend l’exemple d’un produit, la première étape consiste à évaluer les impacts environnementaux du produit actuel avant de mettre en œuvre des alternatives d’amélioration. Cette évaluation prend en compte toutes les étapes du cycle de vie du produit : de l’extraction des matériaux en passant par sa phase d’utilisation et jusqu’à sa fin de vie. L’enjeu principal est de disposer des modèles permettant d’évaluer l’impact environnemental tout au long du cycle de vie des produits et de concevoir ceux-ci pour limiter cet impact en utilisant les démarches d’écoconception. Un autre enjeu de l’écoconception consiste à concevoir des produits qui permettront de favoriser leur réutilisation, leur recyclage, tout en développant l’intégration de matériaux issus du recyclage. Le dernier enjeu consistera à élaborer des produits à partir de matériaux issus du recyclage et en minimisant les pertes de matière.

■ Maîtrise des procédés

La diminution de la consommation de matières, d’énergie, d’eau… passe également par une diminution des rebuts et donc une meilleure maîtrise du procédé de fabrication. Cela implique de disposer des capteurs et systèmes de surveillance des procédés de fabrication permettant de :

maîtriser les phases transitoires de montée en cadence et d’arrêt de production ;

détecter toute dérive des paramètres de process ;

détecter au plus tôt les pièces comportant des défauts ;

mettre en œuvre une maintenance prédictive basée sur la mesure.

Il s’agit de disposer de modèles fiables et adaptés aux besoins de l’entreprise permettant d’évaluer rapidement la pertinence technico-économico-environnementale des solutions envisagées en termes de conception, de dimensionnement et de fabrication pour assurer la compétitivité de l’entreprise. L’éco-efficience impose donc à la fois une fonction de satisfaction et de service et une fonction de rendement écologique.

■ Maîtrise des risques

L’innovation doit prendre en compte les risques techniques et leur impact sur l’environnement, la santé et la sécurité. La gestion des risques industriels, professionnels et environnementaux se décline selon deux axes :

La sécurité :

la maîtrise des installations, des nouveaux procédés et des produits émergents ;

l’identification des dangers engendrés par une innovation technique ;

la sûreté de fonctionnement des installations pour éviter des crises majeures ;

la cybersécurité industrielle.

La santé :

les conditions de travail, d’emploi et de formation ;

les maladies professionnelles comme les troubles musculo-squelettiques ou les risques psychosociaux ;

la qualité de vie au travail ou plutôt par le travail.

En plus de privilégier la santé et le bien-être des employés en aménageant le poste de travail, l’allégement de certaines tâches leur offre l’opportunité de faire preuve d’initiative, d’autonomie et de créativité. Le travail peut ainsi devenir moins pénible et fastidieux, plus intéressant, plus entreprenant, plus riche dans les contacts avec les autres ce qui devrait grandement améliorer la qualité du travail. L’humain au travail est plus responsable, dans une organisation apprenante et collaborative. Chaque équipe peut définir les conditions qui lui sont propres et l’organisation de l’entreprise permet de cultiver l’efficacité et la créativité de ses salariés, incités à développer en continu leurs talents et capacités.

■ Bâtiments éco-efficients

Intégrée dans un bâtiment à haute qualité énergétique et environnementale, l’Industrie du futur utilise une part croissante d’énergies renouvelables. Elle réduit son empreinte carbone, notamment liée à ses activités logistiques et aux déplacements professionnels de ses salariés. Les bâtiments doivent être conçus pour permettre des modularités simples à mettre en œuvre.

La maîtrise des flux d’énergie, grâce notamment aux smartgrids, combinée avec des possibilités croissantes de surveillance de la consommation des équipements et l’apport des énergies renouvelables permettent de se projeter dans une usine qui, non seulement maîtriserait sa consommation énergétique et l’adapterait en fonction des besoins, mais pourrait devenir autonome.

La modélisation et la supervision de la consommation permettront d’optimiser les procédés par exemple en cherchant un ordonnancement des tâches plus rentable, de gérer le stockage de l’énergie produite issue de différentes sources et son utilisation en fonction des besoins, de prédire les besoins énergétiques de l’entreprise en fonction de ses commandes, d’agir sur la consommation des équipements via les réseaux d’automates…

1.5.2 L’humain au centre de la production

Chaque entreprise va pouvoir ainsi développer, avec l’aide de l’ensemble de ses partenaires et collaborateurs, son propre modèle défini à partir de ses clients, ses produits, ses ressources et ses compétences.

La limitation des ressources en matière et en énergie, combinée à la prise de conscience de notre société, incite les entreprises à une démarche plus responsable. Une des manières d’aboutir à un développement durable est de réduire l’intensité logistique des approvisionnements en s’appuyant sur les filières courtes qui ont le potentiel à la fois de réduire l’empreinte logistique par leur proximité géographique mais également de dynamiser les territoires en tirant profit de leur diversité.

Une usine centrée sur l’humain prend en compte les attentes des collaborateurs, développe une organisation participative et collaborative afin d’encourager la responsabilité, la formation et la créativité. De plus, grâce à l’automatisation et la robotique collaborative, elle affranchit ses collaborateurs des tâches pénibles ou répétitives pour mettre ses fonctions cognitives au service de la qualité, de l’innovation et du déploiement du changement agile.

■ Responsabilité sociétale de l’entreprise RSE

Le développement de la responsabilité sociétale des entreprises (RSE) est devenu un impératif, au-delà du simple respect de la législation. D’une part parce que c’est une demande claire du consommateur ; d’autre part pour améliorer fortement l’image du monde industriel auprès du public et en faire un débouché attractif pour les jeunes générations.

La réalité et la perception de la performance d’une entreprise en matière de responsabilité sociétale ont une incidence sur les avantages concurrentiels, la réputation, la capacité à attirer et retenir clients et salariés, la motivation et la productivité des salariés, la vision des propriétaires, investisseurs, de la communauté financière, les relations avec les fournisseurs, les pairs, les médias, les pouvoirs publics. L’usine du futur doit intégrer les principes généraux de l’ISO 26000 : redevabilité, transparence, comportement éthique, reconnaissance des intérêts des parties prenantes, respect du principe de légalité, prise en compte des normes internationales de comportement, respect des droits de l’homme.

■ Méthodes collaboratives

La transformation numérique vise à décloisonner l’organisation et à développer la transversalité. Ces changements dans les manières de travailler sont culturels mais ils peuvent être soutenus par l’utilisation de plateformes collaboratives en ligne qui facilitent la communication et le partage d’information. Utilisées par un nombre croissant d’entreprises, ces plateformes permettent aussi de fluidifier les échanges de l’entreprise avec son écosystème.

L’entreprise devra prendre en compte les modifications des relations au travail introduites par ces pratiques collaboratives, y compris les nouvelles possibilités d’organisation du travail pour une collaboration à distance, car les outils numériques remettent en cause les notions de temps et de lieu de travail. Le nouveau modèle est celui des organisations apprenantes où les salariés ne suivent pas une procédure pour éviter les aléas, mais sont appelés à résoudre des problèmes. Les équipes sont constituées de salariés polyvalents qui s’auto-organisent. Leur travail intègre un fort contenu cognitif et l’homme est désormais au centre du dispositif. Les experts peuvent être partagés avec d’autres structures. On voit donc une forte évolution du management, avec une obligation de résultat plutôt que de moyens, un fonctionnement par lots de travaux à réaliser et de livrables à fournir et une définition claire et mesurable du résultat attendu.

■ L’entreprise comme ascenseur social

Dans un système de production fondé sur des technologies avancées, les ressources humaines doivent se renouveler en permanence pour que les compétences puissent s’adapter rapidement aux évolutions techniques. Un des enjeux majeurs de la transition numérique réside ainsi dans l’acquisition de nouvelles compétences et leur évolution. Il est donc de la responsabilité de l’entreprise de mettre en œuvre les moyens pour accompagner tous les personnels dans ce changement si on ne veut pas créer des inégalités dues à l’illettrisme numérique (exclusion numérique).

Il sera donc nécessaire de renforcer et systématiser la formation professionnelle au numérique afin de donner confiance aux salariés en leurs possibilités de s’adapter, sans oublier de former aussi les décideurs et les cadres. D’autres dispositifs peuvent participer à l’inclusion numérique comme : la capitalisation des compétences, l’assistance aux travailleurs âgés, la mise en place de processus collaboratifs, intuitifs et performants, l’e-apprentissage intuitif, l’autoformation…

Il est nécessaire de renforcer et faire évoluer le lien entre industriels et filières de formation en développant de nouveaux modes de formation adaptés à l’entreprise et incluant tous les publics pour permettre la formation tout au long de la vie. On peut déjà citer la généralisation des enseignements dédiés à la création d’entreprise dans les écoles d’ingénieurs et de commerce et l’augmentation des projets incubés. De plus, les cours numériques offrent des possibilités nouvelles de développer une approche pédagogique à distance et personnalisée, accessible à tous et à coûts réduits.

Vers de nouveaux métiers

Les nouvelles technologies numériques de l’industrie vont demander à tous les métiers une connaissance des outils numériques et de leurs modalités d’utilisation. Mais, au-delà de cette connaissance, les métiers industriels vont devoir opérer une montée en compétences. De plus, on voit apparaître de nouveaux métiers. Enfin, certaines compétences transversales et de savoir-être (soft skills) permettant d’évoluer dans ce nouveau monde numérique deviennent cruciales. D’après l’APEC (Association pour l’emploi des cadres), 95 % des offres d’emploi dans ce domaine mentionnent dans le profil recherché des compétences qui ne relèvent pas de savoir-faire techniques ou de connaissances métiers. Ces compétences peuvent relever du savoir-être (créativité, autonomie…) ou de savoir-faire transversaux (management, maîtrise de langues étrangères…).

Le système de management doit se recentrer sur la valeur ajoutée des collaborateurs et se construire autour du développement de la responsabilisation des équipes. La fluidité du pilotage de la performance sera favorisée par l’utilisation d’outils numériques tels que les réseaux sociaux, les outils de partage de l’information, le web mobile, la réalité augmentée, les IHM intuitives…

Formation tout au long de la vie

Il va donc falloir former le personnel aux outils numériques, et garantir que ses connaissances soient mises à jour pour suivre l’évolution des technologies. Le contexte de travail doit créer un environnement qui favorise et renforce la capacité à réapprendre. La capitalisation des compétences, l’assistance aux travailleurs âgés, la mise en place de processus collaboratifs, intuitifs et performants, l’e-apprentissage intuitif, l’auto-formation sont indispensables pour disposer des ressources humaines nécessaires. Les systèmes d’information partagés vont impacter la manière de construire du travail collectif ou en réseau, et devront favoriser l’apprentissage et l’innovation. L’accès à la formation devra profiter à tout le monde.

À retenir

La transition numérique est une évolution indispensable à la survie de l’activité industrielle ; elle repose sur des technologies de rupture, de l’interconnexion aux niveaux humain, produit, machine et usine combinée à une analyse élaborée des données recueillies tout au long de la vie des produits intégrant fournisseurs et clients. Ses éléments majeurs sont les systèmes cyber-physiques et le jumeau numérique qui permettent à l’entreprise du futur d’être performante, agile et responsable.