Architecture de systèmes complexes en immersion Intelligente – ArchiTOOL

Le projet ArchiTOOL a adopté une démarche scientifique empirique et itérative, articulée autour de plusieurs protocoles expérimentaux complémentaires, dans une logique de triangulation des méthodes. Cette approche visait à valider l’efficacité de l’environnement immersif de modélisation à travers différentes perspectives : satisfaction utilisateur, qualité de la notation visuelle, charge cognitive, sentiment de présence et performance en contexte collaboratif. La première étape a consisté en une enquête en ligne auprès de 118 participants, experts et non-experts, dans le but de comparer des représentations 2D et 3D sur la base de critères issus du cadre «Physics of Notations« (PoN). Les représentations ont été évaluées selon leur expressivité visuelle, leur clarté sémiotique, leur capacité à gérer la complexité, ou encore leur transparence sémantique. L’analyse statistique a permis d’identifier les préférences des utilisateurs et les atouts cognitifs perçus des notations immersives. Sur la base de ces résultats, un prototype immersif de modélisation MBSA a été conçu sous Unity3D, intégrant des métaphores visuelles adaptées à chaque vue architecturale (opérationnelle, fonctionnelle, structurale, comportementale). Ce prototype a ensuite été soumis à une expérimentation contrôlée individuelle (n=72), durant laquelle les participants réalisaient des tâches de modélisation avec ou sans immersion. Les variables mesurées incluaient la charge cognitive (NASA-TLX), la présence perçue (IPQ), la satisfaction (SUS), ainsi que des critères PoN liés à la qualité de la notation. La troisième phase a consisté en une expérimentation contrôlée collaborative (n=48), où les mêmes tâches ont été réalisées en conditions coopératives. Cette étude a permis de mesurer l’impact de l’environnement sur la dynamique de groupe, la communication perçue et la performance collective, en comparant la version immersive à une interface 2D standard. Enfin, des tests formatifs avec des experts MBSE (n=6) ont été menés pour évaluer l’utilisabilité du système, son adaptabilité à leurs pratiques professionnelles et recueillir des retours qualitatifs sur les limitations de l’interface. Ces sessions ont pris la forme de tests utilisateurs avec observation, questionnaires semi-ouverts et entretiens. L’ensemble de ces méthodes a été intégré dans une triangulation finale, croisant les résultats des études quantitatives et qualitatives. Cette stratégie a permis de renforcer la validité interne et externe des conclusions du projet, tout en fournissant une vision nuancée des effets de l’environnement immersif selon les profils utilisateurs et les contextes d’usage.

Le projet ArchiTOOL a permis une évaluation approfondie de l’interface immersive MBSA selon cinq dimensions : qualité de la notation visuelle, charge cognitive, sentiment de présence, satisfaction utilisateur et dynamique collaborative. L’approche méthodologique a combiné enquêtes, expérimentations contrôlées (individuelles et collaboratives) et tests experts, selon un principe de triangulation. Sur les critères du cadre Physics of Notations (PoN), l’interface immersive 3D montre globalement de meilleures performances que les notations 2D traditionnelles :
Discriminabilité perceptuelle : meilleure en 3D, sauf pour le cas Fire Forest Detect System. Les autres validations confirment l’avantage du 3D. Transparence sémantique : scores systématiquement supérieurs en 3D, facilitant l’association symbole-signification. Gestion de la complexité : 3D immersif et 2D iconique équivalents, tous deux supérieurs au 2D classique, avec une exception. Expressivité visuelle : nette supériorité du 3D grâce à la richesse visuelle. Économie graphique : résultats variables selon les cas ; deux experts estiment le 3D équivalent ou inférieur. Les mesures de présence (IPQ) révèlent des résultats contrastés : scores
globaux dans la zone « non acceptable » selon les standards, mais des experts rapportent des perceptions très positives. La variabilité individuelle (expérience VR, sensibilité cognitive) semble déterminante. Ces écarts suggèrent une révision des seuils IPQ pour les environnements immersifs HMD. Concernant la charge cognitive (NASA-TLX), le 3D immersif est perçu comme moins exigeant que le 2D classique, sauf chez trois experts, confirmant une variabilité interindividuelle marquée. Les évaluations de satisfaction (SUS) et de collaboration sont également favorables : participants motivés, satisfaction élevée, intention d’usage futur, et gains perçus en communication, efficacité et engagement en mode collaboratif 3D. En résumé, malgré quelques limites (VR sickness, profils utilisateurs, efficacité variable selon les contextes), les résultats convergent vers une amélioration significative de la qualité d’expérience utilisateur avec l’interface immersive. Le système livré est robuste, validé par des novices et des experts, avec un retour globalement très positif. Les travaux issus du projet ont été présentés en conférences internationales - CAD and Applications 2021, CIRP Design 2023 et 2024, et PLM 2025 -, dans la revue internationale CAD and Applications et font l’objet de deux publications en cours de review.

Le projet ArchiTOOL a permis de valider empiriquement l’intérêt d’un environnement immersif et intelligent pour l’architecture système basée sur les modèles (MBSA). Il a montré que de nouvelles formes d’interaction visuelle et de collaboration pouvaient contribuer à réduire la charge cognitive, améliorer l’accessibilité des notations, et offrir une meilleure expressivité graphique. Malgré des résultats très encourageants, les travaux ont aussi révélé des limites qui posent les bases de futures recherches, notamment sur la robustesse des résultats, la variabilité interindividuelle, les dimensions collaboratives et les enjeux d’acceptabilité technologique. Ces perspectives s’inscrivent désormais dans une dynamique structurant portée par le LabCom ANR MIMESIS avec Skyreal. Cinq perspectives sont proposées pour prolonger ces travaux : 1. Impact des représentations graphiques sur l’architecture système multidisciplinaire. Il s’agit de mieux comprendre comment les caractéristiques visuelles
influencent la compréhension et la collaboration entre disciplines. Une attention particulière sera portée à l’effet des représentations 3D - immersives ou non - sur la détection d’incohérences, l’interprétation de modèles complexes et la coordination intermétiers. 2. Métaphores visuelles interactives pour la modélisation. Nous proposons de concevoir de nouvelles métaphores pour représenter visuellement des concepts abstraits d'ingénierie système. Ces métaphores seront dynamiques, interactives, adaptatives, et intégrées à des agents conversationnels pour favoriser l’exploration active des modèles. 3. Co-conception du système-produit et du système-industriel. L’enjeu est de relier modèles produit et processus industriels via des interfaces 3D permettant de naviguer entre entre les vues. Cette approche soutient une optimisation globale, et sera testée dans des cas industriels concrets (e.g., aéronotique, spatial et énergie). 4. Collaboration synchrone et asynchrone en environnement virtuel Nous développerons des fonctions dédiées à la conception préliminaire collaborative (e.g., co-édition, transition et reprise de contexte, agents médiateurs). La communication multimodale (voix, gestes, annotation) sera explorée pour renforcer l'engagement et la fluidité des échanges dans les équipes distribuées. 5. Méthodes pour spécifier et évaluer rapidement des environnements virtuels de conception. Nous proposerons de nouvelles fonctions de prototypage rapide d’interfaces immersives, couplée à des moyens d’évaluation croisant critères objectifs et subjectifs. L’objectif est de permettre l’adaptation des environnements aux besoins spécifiques des projets et des profils utilisateurs. Ces travaux visent à faire émerger des environnements 3D multi-utilisateurs, ouverts à la collaboration humain-IA, dans une perspective de transformation profonde des pratiques d’ingénierie système.

Wang, H., et al. Exploring the potential of virtual reality for model-based systems architecting. 2024. (in press).

Medina-Galvis, S.C., et al. Exploring Model-Based Systems Architecting Digital Threads in Virtual Reality. 2024. (in press).

Pinquié R., et al. Human-Centric Co-Design of Model-Based System Architecture. Procedia CIRP. 2023, 119, 146-151.

L'activité d’architecture système, laquelle engage 70 à 80 % des coûts du cycle de vie, repose sur des outils rudimentaires vis-à-vis de la complexité technique et organisationnelle des systèmes actuels, et ce, malgré l'avènement de l'approche centrée sur les modèles : Model-Based Systems Engineering. En effet, la modélisation d’une architecture système se traduit par une prolifération de modèles hétérogènes édités avec des outils difficilement intéropérables. L'organisation ségrégée des informations – parfois redondantes ou contradictoires –, éparpillées entre des modèles selon les expertises, dégrade la vision holistique nécessaire à l’architecte système. Par ailleurs, on regrette l'influence du génie logiciel dans les environnements de modélisation dénués de la pensée système (voir le tout, changer de point de vue, naviguer dans les évolutions...) et de capacités de raisonnement (vérification des modèles, assistance à la modélisation...). Ainsi, plutôt que de faire appel à divers logiciels spécifiques, le projet ArchiTOOL vise à inventer, prototyper, et évaluer un environnement virtuel immersif et intelligent dans lequel l'architecte disposera, dans un seul espace, des ateliers nécessaires à la conception des différents points de vue (opérationnel, spécification, fonctionnel, comportemental, structural, logique, sûreté de fonctionnement, etc.) d’une architecture système. Chacun des points de vue pourra, in fine, être exporté et transféré aux expertises chargées de la conception détaillée. Enfin, cet environnement immersif intègrera un agent cognitif qui assistera l’architecte avec diverses capacités dites intelligentes : vérification des modèles, suggestion de règles en fonction du contexte, et identification et automatisation de routines de modélisation.