Stage de R&D : Évaluation des performances et de la scalabilité d’une plateforme de jumeaux numériques

Contexte du stage

Au sein de l’Institut de Recherche Technologique SystemX, situé au cœur du campus scientifique d’excellence mondiale de Paris-Saclay, vous prendrez une part active au développement d’un centre de recherche technologique de niveau international dans le domaine de l’ingénierie numérique des systèmes. Adossé aux meilleurs organismes de recherche français du domaine et constitué par des équipes mixtes d’industriels et d’académiques, ce centre a pour mission de générer de nouvelles connaissances et solutions technologiques en s’appuyant sur les percées de l’ingénierie numérique et de diffuser ses compétences dans tous les secteurs économiques.

Vous travaillerez au sein du projet JNI1 dont les partenaires industriels sont Airbus Protect, Cervval, Naval Group, RTE et Schneider Electric.

Présentation du sujet

Le concept de jumeau numérique a été introduit et de plus en plus utilisé dans l’industrie manufacturière et la maintenance industrielle [1-3]. Le jumeau numérique est une représentation virtuelle et en temps réel de systèmes ou de composants, utilisé pour simuler son comportement réel et, ainsi, améliorer les activités de fabrication et de maintenance [4]. Il peut représenter les performances, les opérations, l’environnement, la géométrie du produit et l’état des ressources sur la base des données collectées en continu, des mises à jour et des changements de sa contrepartie physique.
Dans ce contexte, l’Asset Administration Shell (AAS) [1] est un nouveau standard de modèle d’information qui vise à offrir une modélisation interopérable des « actifs », c’est-à-dire des produits, machines, services ou jumeaux numériques dans le contexte de l’IIoT et de l’Industrie 4.0. Actuellement, plusieurs plateformes IIoT utilisent des modèles d’information propriétaires similaires à l’AAS, mais sans adopter un standard commun, ce qui affecte l’interopérabilité.
Dans le cadre du programme JNI, nous avons développé une plateforme de jumeaux numériques industriels basée en partie sur l’AAS. Une question clé pour son adoption à grande échelle est de savoir si cette plateforme peut être appliquée de manière performante et scalable.

Objectif du stage : ce stage a pour objectif d’effectuer une analyse approfondie des performances et de la scalabilité de notre plateforme de jumeaux numériques industriels, et d’améliorer/implémenter quelques aspects non-fonctionnels liés à la cybersécurité.
Les tests de performance sont essentiels pour évaluer la vitesse, la fiabilité, le temps de réponse et l’utilisation des ressources du système sous des charges spécifiques. Les exigences non-fonctionnelles liées à la cybersécurité et les implémentations des fonctions de sécurités seront à implémenter et mesurer au regard des objectifs de performance. Cette analyse permettra d’identifier et d’éliminer les éventuelles limitations de la plateforme. L’analyse de performance portera sur les aspects suivants :

• Vitesse : S’assurer que la réponse de l’application est rapide.
  • NB : la vitesse est un compromis avec les exigences de cybersécurité.
• Scalabilité : Déterminer la charge utilisateur maximale que la plateforme peut supporter.
• Stabilité : Vérifier le comportement de l’application sous différentes charges.

Travail attendu :

• Axe analyse de performance
  • Réaliser un état de l’art sur les méthodes, outils et bonnes pratiques d’analyse des performances d’applications.
  • Construction des scénarios d’analyses de performances avec l’architecte de la plateforme.
  • Effectuer une étude comparative des performances sur les deux configurations de déploiement et de gestion de ressources.
    • Une configuration simple avec des outils comme Docker, Docker-Compose, MQTT, et des API REST.
    • Un déploiement utilisant Kubernetes (K8S) pour la gestion des ressources et des conteneurs de la plateforme.
  • Mettre en œuvre, tester et évaluer la performance de la plateforme avec d’autres protocoles de communication OT tels que OPC UA ou MODBUS, afin d’étudier leur impact sur les performances globales du système.
  • Identifier les éventuelles limitations en termes de performances, proposer des recommandations et les implémenter pour améliorer la plateforme.

• Axe cybersécurité by design
  • Implémenter l’architecture de cybersécurité générale de la plateforme proposée par l’équipe cyber, qui intègre une sécurité fondamentale dans sa conception [5], tout en l’harmonisant avec le processus de sécurité décrit dans la spécification de l’AAS.
  • Analyser les impacts de l’implémentation des mesures de sécurité sur les performances de la plateforme.

Références bibliographiques sur le sujet  
[1] Abdelhadi Belfadel, Stephen Creff, Amira Ben Hamida. Advancing Industrial Digital Twins: Towards An Open Platform Aligned with Standards. 21st International Conference on Product Lifecycle Management, Jul 2024, Bangkok, Thailand. ⟨hal-04612160⟩
[2] Leng, J., Wang, D., Shen, W., Li, X., Liu, Q., Chen, X.: Digital twins-based smart manufacturing system design in industry 4.0: A review. Journal of manufacturing systems 60, 119–137 (2021)
[3] Tao, F., Qi, Q., Wang, L., Nee, A.: Digital twins and cyber–physical systems toward smart manufacturing and industry 4.0: Correlation and comparison. Engineering 5(4), 653–661 (2019)
[4] Jiang, Y., Yin, S., Li, K., Luo, H., Kaynak, O.: Industrial applications of digitaltwins. Philosophical Transactions of the Royal Society A 379(2207), 20200360 (2021)
[5] Rose, S., Borchert, O., Mitchell, S. and Connelly, S. (2020), Zero Trust Architecture, Special Publication (NIST SP), National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, [online], https://doi.org/10.6028/NIST.SP.800-207 

Profil et compétences

De formation Etudiant BAC+5 en fin de cycle école d’ingénieur ou Master 2, dans le domaine de l’ingénierie logicielle ou d’ingénierie des systèmes d’information et web.

Compétences souhaitées :

• Bon niveau de maitrise du langage de programmation Java et Python.
• Connaissance des frameworks Spring et Vue.JS.
• Expérience avec les API RESTful, ainsi que des protocoles de communication comme http, MQTT, OPC UA ou autres.
• Familiarité avec les outils de versionnage et de CI (Git, Gitlab, Jenkins, …).
• Sensibilisation à la cybersécurité et aux meilleures pratiques en matière de développement sécurisé.
• Compétences en tests unitaires, tests d’intégration et méthodes de débogage.

Aptitudes personnelles :

• Bon relationnel
• Curiosité, esprit d’initiative, capacité d’analyse et rigueur
• Avoir envie de travailler en collaboration
• Intérêt pour la recherche appliquée
• Aptitude à communiquer en anglais, aussi bien à l’oral qu’à l’écrit (obligatoire pour les communications scientifiques)

Merci d’indiquer la référence du stage dans l’objet de votre mail de candidature, d’y joindre CV, lettre de motivation, lettre(s) de recommandation et relevés de notes.