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Un changement profond : un nouveau cap pour la recherche océanographique
ProMare et IBM lancent le Mayflower Autonomous Ship
« Notre plus grand défi, c’est l’océan lui-même », déclare Brett Phaneuf, cofondateur de ProMare, une organisation dédiée à la recherche et à l’exploration marines. « Aucune embarcation capable de résister à tout ce que l’océan pouvait lui infliger n’avait jamais été construite. »
En 1620, en dépit de l’immense défi qui les attendait, les 102 passagers du Mayflower de l’époque ont quitté Plymouth, en Angleterre, pour un voyage périlleux vers le Nouveau Monde, inspirés par l’espoir d’un avenir meilleur. Et en 2016, lorsque la communauté de Plymouth s’est réunie pour discuter de la commémoration du 400e anniversaire de la traversée du Mayflower, les défis maritimes de toujours et une nouvelle envie de découverte ont poussé Brett Phaneuf à se lever et à poser cette question : « Pourquoi ne pas profiter de cette occasion pour avancer vers l’avenir, plutôt que de se contenter de se remémorer le passé ? »
Brett Phaneuf s’était installé au Royaume-Uni quelques années auparavant pour fonder MSUBs, une société concevant et fabriquant des sous-marins miniatures, principalement pour les secteurs de la sécurité et de la défense. Il s’intéressait depuis longtemps aux systèmes autonomes, mais il ne s’était pas encore essayé aux bateaux de surface autonomes. À ce moment-là, il a vu une opportunité.
« Lorsque la ville de Plymouth a parlé de construire une réplique du Mayflower original, j’ai dit : 'Il y en a déjà une dans le Massachusetts, j'ai grandi non loin de là' », raconte Brett Phaneuf. « Nous devrions plutôt parler des 400 prochaines années de l’entreprise maritime. Inspirons-nous de ce que les pèlerins ont fait et embarquons pour un nouveau départ. »
Le timing était parfait pour la présentation de cette idée : un navire autonome et sans équipage qui traverserait l’Atlantique, suivrait la route du premier Mayflower et effectuerait des recherches océaniques vitales pendant la traversée et au-delà. « C’est à ce moment-là qu’est née l’idée du Mayflower Autonomous Ship », précise M. Phaneuf. « Nous le surnommons désormais le MAS. »
La vision de Brett Phaneuf pour le MAS est motivée par l’évolution des besoins en matière de développement des connaissances scientifiques sur l’océan. « Bien que les deux tiers de la surface de notre planète soient recouverts d’eau, nous en avons exploré moins de 5 % », a-t-il expliqué. « Ces lacunes devraient nous effrayer, parce que c’est l’océan qui détermine le climat de notre planète. »
Automatisation complète
Les capteurs, les appareils de périphérie, l’automatisation des décisions et la vision par ordinateur permettent d’atteindre une autonomie complète (aucune intervention humaine requise).
Statut actuel
Le voyage transatlantique du MAS est en cours.
Un navire autonome a cet avantage d’être conçu sur mesure, en fonction de son objectif spécifique. L’embarcation devient une machine, ce n’est plus un hôtel flottant. « Si vous supprimez le facteur humain des bateaux, vous pouvez complètement repenser leur conception », explique M. Phaneuf. « Vous pouvez vous concentrer uniquement sur la mécanique et la fonction de l’embarcation. »
Toutefois, en pratique, Brett Phaneuf et ProMare savaient que la clé pour mettre un navire autonome à l’eau, sans personne à la barre, c’était la technologie informatique qui pouvait alimenter l’intelligence à bord. Pour que le MAS devienne réalité, ProMare avait besoin d’un partenaire technologique possédant une expertise approfondie en IA, en edge computing et en recherche scientifique, ainsi qu’une expérience dans le secteur du transport maritime international.
Fin 2016, lorsque l’architecte naval de ProMare a présenté le concept du MAS lors d’une conférence en Suisse, des représentants d’IBM se trouvaient dans le public, et ils ont été intrigués par la vision de M. Phaneuf.
« Au tout début du projet Mayflower, j’ai dit à mon directeur technique que j’avais besoin de lui pour me créer un 'Capitaine Watson', car j’ai grandi en regardant l’équipe IBM Watson développer une IA toujours plus puissante », explique M. Phaneuf. « C’est ce dont nous avions besoin pour permettre à notre navire de naviguer. Nous avons eu la chance de rencontrer un groupe de personnes incroyablement généreuses au sein d’IBM, avec encore plus de capacités et une forte envie d’aider. »
Les données dont nous avons besoin, pour l’océan que nous voulons
Couvrant 71 % de la surface de la Terre, l’océan produit plus de la moitié de l’oxygène de la planète, il régule le climat dans son ensemble et joue le rôle d’un dissipateur thermique qui réduit les effets du réchauffement climatique. Cependant, malgré son immensité, l’océan n’est pas protégé contre les nuisances des activités humaines. Aujourd’hui, il est plus pollué, plus chaud, plus acide et plus exposé aux tempêtes que jamais.
Pour contribuer à inverser le déclin des océans, les Nations Unies ont déclaré que 2021-2030 serait la Décennie pour les sciences océaniques au service du développement durable. Cette initiative mondiale permettra de mieux comprendre les océans afin de les protéger et de les gérer de manière plus durable. Et pour ce faire, il est essentiel de disposer de données plus nombreuses et de meilleure qualité.
Mais la collecte de données sur des systèmes aussi vastes et complexes que les océans coûte extrêmement cher. Mener des recherches dans un environnement aussi impitoyable expose également les navires et les équipages à de sérieux risques. Impact pratique de ces facteurs : de vastes zones de la surface de l’océan restent encore inexplorées. D’énormes lacunes persistent dans le domaine du changement climatique, la pollution par les plastiques, la dégradation des habitats, la conservation de la vie marine et d’autres sujets importants.
« La plupart des données océaniques dont nous disposons sont biaisées, elles dépendent des itinéraires de navigation commerciale », explique M. Phaneuf. « Pour explorer le reste, nous ne pouvons pas nous permettre, en tant que société, de continuer à construire des navires de recherche géants dont la production coûte de 50 à 100 millions de dollars. Même si nous le faisions, nous n’en aurions jamais assez. Mais en même temps, nous ne pouvons pas nous permettre d’ignorer l’évolution de nos besoins en matière de recherche océanographique. »
Les navires de recherche autonomes comme le MAS, intégrés à d’autres réseaux terrestres, navals et satellites, peuvent collecter des données sur les océans à une échelle bien supérieure et pour un coût bien plus économique que ce que permet la flotte relativement restreinte de navires de recherche avec équipage d’aujourd'hui. « C’est pour cette raison que je me suis intéressé à l’utilisation de la robotique et des technologies autonomes dans l’exploration des océans. Cela nous donne accès à des zones de l’océan qui ne sont tout simplement pas accessibles aux humains », explique Brett Phaneuf.
Comme imaginé par ProMare et le projet MAS, l’avenir de la recherche maritime est un mélange hybride d’embarcations et d’appareils avec et sans équipage, grands et petits, dotés de différents niveaux d’autonomie, travaillant ensemble pour augmenter la quantité et la qualité des données collectées.
Jusqu’à récemment, la collecte d’une plus grande quantité de données océaniques sans embarquer plus de marins et de scientifiques dans des voyages coûteux et risqués semblait hors de portée. Tout se résumait à cette question : l’IA, l’edge computing et les technologies connexes sont-ils prêts et suffisamment robustes pour fournir une véritable autonomie ?
« Les navires ont toujours été à la pointe absolue du développement technologique, parce qu’ils jouaient un rôle indispensable dans le transport des marchandises et des personnes », explique M. Phaneuf. « Le développement du MAS n’est donc pas si surprenant. Les navires ont toujours été au premier plan. »
Avec sa forme épurée rappelant les vaisseaux de Star Trek, la coque style trimaran très stable du MAS peut survoler les vagues à plus de 10 nœuds, entraînée par un système de propulsion hybride électrique alimenté par l’énergie solaire. Le MAS est également équipé d’un système de navigation inertielle de précision, d’un système de positionnement par satellites GNSS (Global Navigation Satellite System), de capteurs radar, de communications satellites et d’instruments météorologiques.
Construit en Pologne selon les spécifications de ProMare, ce navire de 5 tonnes et 15 mètres de long intègre de nombreuses caractéristiques d’architecture marine de pointe, toutes conçues pour résister aux contraintes des longues traversées. Mais il n’y a ni couchettes ni cambuse pour le capitaine ou l’équipage de ce Mayflower. C’est la technologie informatique cognitive d’IBM, qui a déjà fait ses preuves dans d’autres secteurs, qui pilote ce nouveau type d’embarcation et l’aide à maintenir son cap.
« Nous devions surpasser les technologies existantes en matière de navires sans équipage afin de créer une embarcation non seulement commandée à distance et qui réagisse à son environnement, mais une embarcation qui apprenne et s’adapte également de manière autonome », explique Don Scott, directeur de l’ingénierie chez Submergence Group, une société affiliée à ProMare. « Lorsque nous avons conçu ce navire il y a quatre ans, je n’étais pas sûr que nous allions être en mesure d’héberger un tel système sur un bateau. Mais les récents progrès, notamment dans le domaine de l’edge computing, ont rendu cela possible. »
Le « cerveau » embarqué qui confère au MAS une autonomie totale, soit la capacité de fonctionner sans intervention humaine, est surnommé « AI Captain » par l’équipe. Comme tout capitaine humain a besoin de plusieurs années de formation avant de se voir confier un navire, l’AI Captain du MAS est passé par des années d’entraînement pour apprendre ses tâches.
Avec des algorithmes d’inférence et des modèles générés par la technologie de vision par ordinateur IBM Visual Insights, l’AI Captain a été entraîné sur plus d’un million d’images nautiques pour apprendre à reconnaître les navires, les débris, les ponts, la terre ferme et d’autres dangers. Des serveurs IBM Power Systems ont été utilisés pour répondre aux exigences strictes de traitement de machine learning requises pour l’entraînement de l’AI Captain. IBM CPLEX Optimizer a fourni une modélisation mathématique supplémentaire pour l’aide à la décision.
Dès que l’AI Captain reçoit des données exploitables provenant des caméras, radars, sonars, différentes IA et d’autres équipements à bord, il utilise le système automatisé de gestion des règles d’IBM, appelé IBM Operational Decision Manager (ODM), pour s’assurer qu’il respecte le Règlement international pour prévenir les abordages en mer (ColReg) et d’autres conventions maritimes. Largement utilisé dans le secteur des services financiers pour approuver les prêts et personnaliser les offres aux clients, ODM fournit un enregistrement transparent des processus de prise de décision afin d’éviter les scénarios de type « boîte noire » lorsque le motif d’une décision donnée n’est pas clair.
Pour connaître son environnement et prendre des décisions intelligentes de manière indépendante, sans avoir à être connecté à un ordinateur terrestre, le MAS dispose de 15 périphériques d’edge computing pour traiter les données à bord. La logique de décision, basée sur le logiciel ODM, fonctionne également comme un workload d’edge computing sur le navire.
Tous les appareils de périphérie sont orchestrés de manière sécurisée par IBM Edge Application Manager, qui déploie le logiciel sur les capteurs positionnés en périphérie du navire. IBM Maximo Application Suite offre une gestion et une maintenance intelligentes des actifs. « J’ai qualifié le MAS d’appareil de périphérie ultime », déclare M. Scott. « Toutes les caméras sont des appareils de périphérie intelligents. Même le système de gestion de la batterie est un appareil de périphérie intelligent. »
Une fois en route, l’AI Captain du MAS s’appuie sur les recommandations d’ODM et les mises à jour actuelles et prévues de The Weather Company®, une entreprise d’IBM, pour évaluer en permanence les options, éviter les dangers, prendre des décisions de navigation et effectuer la mission de recherche en cours.
IBM Cloud et IBM Cloud Object Storage permettent d’assurer l’intégration, la sécurité et la connexion fluides de l’ensemble des données et applications à la périphérie du réseau MAS. Ces solutions sont conçues pour prendre en charge les workloads essentiels à la mission n’importe où, même au milieu de l’océan.
Une fonction Safety Manager, exécutée sur Red Hat Enterprise Linux (lien externe), soutient également les décisions prises par l’AI Captain afin de garantir la sécurité du MAS et des navires à proximité.
Alors que l’entraînement de l’AI Captain se poursuit et qu’il enregistre de plus en plus d’heures d’autonomie en mer, ProMare réfléchit déjà à l’avenir de cette technologie, au-delà même du projet MAS. « L’avantage du logiciel que nous développons pour l’AI Captain, c’est qu’il peut également être déployé sur des navires avec un équipage », explique Brett Phaneuf. « Cela peut permettre à ses membres d’exécuter une tâche tout en les libérant pour les laisser se concentrer sur la partie créative de leur mission : une meilleure version d’eux-mêmes, pour plus de sûreté. »
Un pied marin au service de la science et du commerce
Malgré les perturbations liées à la pandémie mondiale de COVID-19, les principales étapes du projet MAS ont été atteintes en 2020. Au moment où la construction du navire touchait à sa fin, ProMare et l’équipe IBM développaient et testaient l’AI Captain dans une station de recherche et développement de Plymouth. Installée au bout d’une jetée donnant sur le port principal de la ville, la station de R&D a connu toute l’action du pont d’un navire, et son rôle a été crucial pour apprendre à l’AI Captain comment reconnaître les bateaux, les bouées et les autres obstacles présents dans l’eau, et adapter sa navigation en conséquence.
Pendant que la coque principale et la coque stabilisatrice du navire étaient transportées de Pologne en Angleterre pour l’assemblage final, des travaux plus approfondis ont été entamés en vue de remplir l’objectif principal du MAS : recueillir des connaissances scientifiques sur les océans. La conception modulaire du navire compte trois baies scientifiques pouvant accueillir différents kits de recherche, en fonction des sujets étudiés. IBM Research a développé trois projets de recherche initiaux pour le MAS : la mesure du niveau de la mer et de la hauteur des vagues, l’analyse de la composition chimique de l’eau de mer et l’écoute des chants des baleines à l’aide d’hydrophones.
« Ce qui me passionne vraiment dans ce projet, entre autres, c’est que nous allons utiliser les technologies avec lesquelles je travaille au quotidien pour révolutionner la façon dont nous capturons les données sur les océans », explique Rosie Lickorish, chercheuse et ingénieure logicielle chez IBM, dont le parcours professionnel inclut également la recherche océanographique. « Nous allons utiliser l’IA, les technologies d’autonomie, la robotique et l’edge computing pour créer de nouveaux capteurs et appareils qui nous permettront de faire évoluer beaucoup plus efficacement nos méthodes de collecte des données sur les océans. »
Le jour à marquer d’une pierre blanche en 2020, c’est le 16 septembre, date à laquelle le navire MAS entièrement assemblé a été officiellement baptisé et mis à l’eau dans le port de Plymouth. Mas400.com (lien externe à ibm.com), un portail de missions en direct permettant au monde entier de suivre le projet MAS et de recevoir des mises de ses traversées, est également lancé.
Maintenant que le MAS est à l’eau, le navire va passer plusieurs mois d’essais en mer et remplir diverses missions de recherche, avant d’entamer son premier voyage du Royaume-Uni aux États-Unis, en avril 2021. « Nous utiliserons des capteurs à bord du navire pour calibrer les mesures [à partir de satellites et de capteurs côtiers] », explique Rosie Lickorish. « Cela nous fournira des informations précieuses sur le transport maritime et les ports par exemple. »
Les enseignements tirés du MAS auront non seulement une valeur scientifique, mais ils permettront également de réaliser des avancées pratiques et durables pour de nombreuses organisations opérant sur les océans ou à proximité : transport maritime et logistique, exploration pétrolière et gazière, et industries liées à la sécurité et à la défense par exemple.
« Alors que le marché du transport maritime autonome devrait passer de 90 milliards de dollars aujourd’hui à plus de 130 milliards de dollars d’ici 2030, de nombreux navires autonomes en opération actuellement ne sont en réalité que des embarcations automatisées, des robots qui ne s’adaptent pas de manière dynamique à de nouvelles situations et qui dépendent fortement des opérateurs qui reprennent la main », déclare M. Scott. « En utilisant un ensemble intégré de technologies d’IA, de cloud et d’edge computing d’IBM, nous visons à donner au Mayflower la capacité d’opérer de manière autonome dans certaines des conditions les plus difficiles sur la planète. »
Le compte à rebours est lancé. La traversée de près de 5 200 km du Royaume-Uni aux États-Unis aura lieu au printemps 2021. Mais en attendant, ProMare a prévu d’aller plus loin. « Nous allons nous rendre dans l’Arctique et nous envisageons de naviguer autour du globe », explique Brett Phaneuf. « Nous continuerons à utiliser le MAS comme plateforme pour de nombreuses années à venir, et espérons-le, ce bâtiment inspirera également la prochaine génération de navires. »
À l’approche du mois d’avril 2021, M. Phaneuf et son équipe repensent à la traversée du Mayflower original et partagent bon nombre des espoirs et des craintes que les pèlerins ont éprouvés lorsqu’ils se sont embarqués pour l’inconnu. « Je pense que ce qui nous rapproche le plus, c’est que nous ne sommes pas sûrs d’y arriver non plus. Mais nous sommes prêts à prendre le risque », déclare M. Phaneuf. « Je me concentre sur la collecte des ressources dont nous avons besoin avec l’aide de notre équipe, et d’IBM en particulier. Je pense que je ne réussirai pas à me détendre tant que le MAS n’aura pas traversé l’océan et jeté l’ancre à Plymouth, dans le Massachusetts. »
Créée en 2001 pour promouvoir la recherche et l’exploration marines, ProMare (lien externe à ibm.com) est une société à but non lucratif et une organisation caritative 501(c)(3) basée à Chester, dans le Connecticut. Son équipe d’archéologues et de professionnels de la mer expérimentés exécute des projets de recherche de manière indépendante, et avec des organisations universitaires, privées, publiques et gouvernementales afin de faire progresser les connaissances historiques et scientifiques sur les océans.
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