Optimisation de la conception des réseaux CVC grâce à l'informatique quantique

Article d'QuantumBasel · Publié pour la première fois le 19 décembre 2023

VINCI Energies entend relever le défi climatique en mettant en œuvre des solutions innovantes pour transformer ses activités et créer de la valeur environnementale (1). Ses équipes déploient des technologies et intègrent des solutions multitechniques sur mesure, de la conception à la mise en œuvre, en passant par l’exploitation et la maintenance. Grâce à ses 1 900 entités opérationnelles, VINCI Energies allie ancrage local et structure agile pour améliorer la fiabilité, l’efficacité et la durabilité des infrastructures de ses clients, tout en visant une performance globale au service de la planète, des personnes et des communautés locales.

Le défi

Lors de la construction d’un bâtiment, la conception du réseau de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) comporte plusieurs étapes. L’une des dernières étapes du processus de conception CVC est appelée « génération du réseau ». Cette étape garantit que tous les éléments CVC sont correctement raccordés, tout en respectant les exigences de sécurité et de durabilité. Il s’agit d’une étape cruciale. Cependant, c’est également une étape très coûteuse en termes de calcul, voire prohibitive. Le défi consiste à optimiser la conception des réseaux de conduits CVC dans les nouveaux bâtiments en minimisant le coût de l'implantation des conduits tout en assurant efficacement le débit d'air requis. La solution semi-automatisée actuellement utilisée par VINCI Energies est fastidieuse et coûteuse, car elle nécessite un travail manuel important de la part des ingénieurs.

Objectif du projet

L'objectif de ce projet est de réduire la charge de travail manuelle nécessaire à la conception de réseaux CVC en développant une solution plus efficace, potentiellement hybride (quantique-classique), qui minimise les coûts et apporte une valeur ajoutée à court terme à VINCI Energies. La phase de validation du concept vise à créer un prototype de solution capable de générer des conceptions plus performantes que celles existantes.

Cela sera évalué en fonction des critères suivants :

a) un délai de mise en œuvre plus court, b) un confort et une efficacité optimisés pour l'utilisateur, c) une réduction de l'impact environnemental, de la consommation de carburant et des émissions, d) une réduction des coûts grâce à une conception plus rapide des systèmes CVC, avec moins de raccordements, ainsi qu'à une diminution des besoins en main-d'œuvre et en puissance de calcul pendant la phase de production.

Contexte

1. Nous devons installer un système de chauffage, de ventilation et de climatisation dans un nouveau bâtiment.
2. Nous devons choisir où installer les conduits

Objectif

Trouvez le réseau le moins coûteux qui assure le débit d'air requis dans chaque pièce.

Approche

1. Choisissez l'emplacement des conduits parmi un large éventail d'options
2. Choisissez la taille de chaque conduit

REMARQUE : la génération de réseaux CVC a été choisie car elle constitue un goulot d'étranglement informatique majeur pour VINCI Construction et permet, dans le même temps, de dégager des enseignements utiles à la mise en place d'ajustements stratégiques.

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« Nous sommes convaincus que la technologie quantique actuelle peut jouer un rôle clé pour garantir une construction et une exploitation optimales et efficaces des bâtiments, et nous sommes impatients de mettre à profit les solutions quantiques de D-Wave pour soutenir cet effort » — Dr Reinhard Schlemmer, membre du conseil d’administration de VINCI Energies

Approche de la solution

Dans le cadre de cette solution, D-Wave a créé un modèle hybride quantique-classique pour résoudre le problème de conception du réseau de conduits CVC de VINCI Energies. Le programme « QuantumBasel » a permis à VINCI Energies d’accéder directement à la technologie de D-Wave et à son réseau. Cette approche a tiré parti de la capacité de l’informatique quantique à relever des défis complexes d’optimisation combinatoire en évaluant différentes configurations de placement des conduits de manière plus efficace que les méthodes traditionnelles. Le projet s’est attaché à tirer parti des atouts de D-Wave en exprimant le modèle sous forme de formes quadratiques. Plusieurs modèles ont été proposés au cours du projet, et celui qui offrait le meilleur équilibre entre précision et rentabilité a été sélectionné et mis en œuvre. Le modèle retenu a permis de réduire la charge de travail en intégrant des techniques de modélisation améliorées et en utilisant à la fois des ressources de calcul classiques et quantiques afin de limiter les interventions manuelles d’ingénierie et d’optimiser les paramètres de conception tels que les longueurs de conduits, les diamètres, les raccordements et les traversées de pièces. Sur un plan de bâtiment représentatif, la solution a surpassé la méthode semi-automatisée précédente sur tous les indicateurs de performance et a permis une réduction significative de la longueur des conduits, ce qui s’est traduit par des économies substantielles en termes de matériaux, de coûts de construction et de temps d’ingénierie, démontrant ainsi le potentiel du calcul hybride quantique-classique dans les applications d’ingénierie concrètes.

Prochaines étapes

Ce prototype, développé au cours de la phase de validation du concept, est destiné à être mis en œuvre à plus grande échelle. Ce projet a également permis à VINCI Energies d’évaluer la faisabilité de l’application de l’informatique quantique à des problèmes d’optimisation similaires. Les enseignements tirés aideront VINCI Energies à apporter les ajustements nécessaires à sa stratégie globale en matière d’informatique quantique. VINCI Energies pourra ainsi continuer à innover dans l’optimisation de la conception d’infrastructures complexes.

Informations détaillées

Solutions qcPoC : Les solutions qcPoC apportent des améliorations significatives, principalement grâce à leur impact sur les coûts des matériaux et de construction, tout en améliorant l’esthétique. En optimisant ces facteurs, ces solutions permettent d’obtenir un résultat à la fois plus rentable et plus attrayant visuellement. De plus, cette nouvelle approche se distingue par son efficacité et son évolutivité, par rapport aux solveurs MIP (programmes en nombres entiers mixtes) classiques (formulation CQM) et aux outils utilisés en production. Elle identifie rapidement des solutions, ce qui en fait un choix potentiellement solide pour des projets plus vastes et plus complexes. Il est toutefois important de noter que les gains de performance n’ont pas encore été entièrement cernés, et que le projet ne s’est pas concentré sur l’amélioration des performances avec des solveurs classiques de programmation mixte-entière (MIP) ni n’a exploré de méthodes alternatives. Par exemple, le projet n’a pas étudié l’accélération hybride telle que décrite dans le livre blanc de D-Wave intitulé « Hybrid Solvers for Quadratic Optimization ». Cela laisse la porte ouverte à de nouvelles recherches et optimisations dans ces domaines, ce qui pourrait permettre de dégager des gains d’efficacité et des améliorations encore plus importants à l’avenir.