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PROJET ANR-DEMOCRITE, l’innovation au service des interventions

Depuis 35 ans, les sapeurs-pompiers de France et en particulier ceux de Paris, à l’origine de projet DEMOCRITE, sont confrontés à une inexorable augmentation des demandes de secours (ils ont réalisé 4,5 millions d’interventions en 2015 – dont 10 % sur le secteur de la BSPP – contre 2 millions en 1982). Cette formidable hausse impose de trouver des solutions innovantes pour optimiser la réponse opérationnelle puisque les moyens des services d’incendie et de secours ne peuvent croître dans les mêmes proportions.

Pour relever ce défi, il convient de tirer parti des avancées scientifiques et techniques et en premier lieu des technologies numériques associées à l’acquisition et à l’analyse de données. Les sollicitations passées, enregistrées et traitées numériquement, constituent ainsi un précieux matériau pour préparer l’avenir.

Il serait cependant réducteur de se contenter d’analyses rétrospectives. En effet, l’évolutivité des grandes cités est profonde et perpétuelle : transformations urbaines, changements démographiques, mutations des risques, organisation d’événements exceptionnels… En l’espace de vingt ans, les projets du Grand Paris auront considérablement remodelé la mégalopole et imposent de disposer de modèles permettant d’anticiper les modifications affectant la répartition spatiale d’occurrence des risques. De même, l’organisation des Jeux Olympiques en 2024 impose de disposer d’outils performants d’analyse et de couverture des risques afin de prédimensionner les moyens.

Pour structurer une réponse cohérente et optimale à cette échelle, les sapeurs-pompiers de Paris ont donc besoin de concevoir de nouveaux systèmes qui caractérisent dans l’espace et dans le temps les vulnérabilités du territoire. Le projet de recherche DEMOCRITE (DEmonstrateur d’un MOteur de Couverture des RIsques sur un TErritoire) constitue une étape majeure dans cette réflexion en agrégeant un vaste ensemble de données et en proposant dans une même application des outils de cartographie, de prévision et de représentation du territoire tout en modélisant finement certaines catégories d’interventions.

Le projet DEMOCRITE

La Brigade a anticipé les évolutions auxquelles elle avait à faire face en développant, en collaboration avec l’École polytechnique, les premières études sur un « Moteur d’Analyse et de Couverture des Risques » (MACR). Il est apparu rapidement que pour répondre totalement à un tel projet une approche collaborative serait plus efficace.

L’élaboration du projet a été confiée à LABEO, laboratoire commun entre la Préfecture de Police de Paris et le CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives). Le projet a été soumis pour cofinancement à l’Agence Nationale de la Recherche (ANR), qui l’a retenu en 2014. Par son montant (1 M€ d’aide), le nombre de ses partenaires (huit) et sa durée (4 ans au lieu de 3 en général), DEMOCRITE est un projet ANR tout à fait atypique.

L’objectif du démonstrateur DEMOCRITE est d’intégrer des outils permettant d’analyser les risques (risques courants et deux risques majeurs) dans leurs deux dimensions : probabilités d’occurrence et conséquences, et d’offrir une analyse de la couverture de ces risques par les moyens disponibles. La construction de cet outil, coordonnée par le CEA, a été élaborée par un consortium de huit partenaires, chacun intervenant sur un domaine de compétence qui lui est propre. Ces partenaires sont, par ordre alphabétique :

  • ARMINES (l’Ecole des mines d’Alès) a compilé les données de nombreuses sources afin d’élaborer des cartes de vulnérabilité humaine et fonctionnelle,
  • la BSPP est le partenaire central, pour exposer ses besoins, mettre à disposition les données cartographiques et fournir les retours d’expérience d’interventions,
  • le CEA (centre de Gramat), partenaire coordinateur, est également intervenu en élaborant un outil rapide de calcul de conséquences d’une explosion en milieu urbain, FLASH,
  • le CERDACC (Centre Européen de Recherche sur le Droit des Accidents Collectifs et des Catastrophes) apporte son savoir juridique au service du secours à la personne,
  • IPSIS (filiale d’IT-Link) est l’intégrateur du projet et le développeur de la plateforme logicielle, et a également contribué à la modélisation de l’incendie à grande échelle,
  • INRIA/X (équipe commune INRIA – École polytechnique) contribue en conseillant les autres partenaires sur les approches mathématiques les plus pertinentes,
  • PPRIME, laboratoire spécialisé dans la modélisation des incendies, a validé une approche multiéchelle depuis la pyrolyse des matériaux jusqu’au feu de structures,
  • SYSTEL a adapté son outil de construction de requêtes cartographiques, déjà utilisé au service des SDIS.

Si vous souhaitez participer à ce colloque : http://www.anr-democrite.fr/

Dès à présent, sur le territoire couvert par la BSPP, DEMOCRITE permet de :

  •  simuler rapidement les conséquences d’une explosion,
  • simuler l’évolution d’un incendie, hors intervention des secours, sur un ensemble de bâtiments aux caractéristiques homogènes,
  • en fonction de la période de l’année et de la tranche horaire :
    – cartographier la probabilité des différents types d’intervention a posteriori,
    – cartographier les vulnérabilités humaine et fonctionnelle,
    – cartographier la couverture intrinsèque du territoire,
    – cartographier la couverture opérationnelle des risques.

Dans cet article, nous allons faire le point sur 5 apports majeurs de DEMOCRITE :

  •  les aspects juridiques liés aux missions des services d’incendie et de secours, en particulier les notions de « bassins de risques » et « d’égalité face aux secours ».
  • FLASH, le modèle rapide de calcul des conséquences d’explosion en milieu urbain,
  • le modèle d’incendie (hors intervention des secours), qui vise à déterminer la « susceptibilité au feu » de certains agencements de bâtiments,
  • les cartes de vulnérabilité, qui parviennent à « faire parler » les données,
  • les cartes de couverture résiduelle des risques, qui doit permettre à terme d’améliorer la couverture opérationnelle en optimisant la répartition des moyens.

Analyser les implications juridiques des missions des services d’incendie et de secours

Dans le cadre du projet, la réflexion menée par le CERDACC s’articule autour de deux axes : la notion de bassin de risques examinée sous l’angle du territoire administratif et de la responsabilité des pouvoirs publics ; l’égalité des chances sur le territoire national face à l’iso-couverture de risque suivant une grille de classification d’ordre national. Ces axes visent à conforter la nécessité de l’outil futur (logiciel DEMOCRITE), objet de ce projet.
Ces deux thèmes sont à rapprocher des réflexions qui ont été menées dans le cadre du SDACR sur la volonté d’harmoniser la distribution des secours sur tout le territoire.

Par la notion de « bassin de risques », l’objectif est de démontrer la divergence entre le territoire à risque et le territoire administratif (pouvoir décisionnel). La notion de territoire (territoire étatique constitutionnellement unitaire), associée à celle de pouvoir, constituait une limite de compétence des gouvernants en présence des situations de risques (incendie, explosion, attentats, etc.). Le CERDACC étudie dans la première partie de son rapport les conséquences juridiques et politiques du découpage administratif du territoire national vis-à-vis des acteurs institutionnels sur ces territoires, et constate l’absence de liens et d’harmonisation entre les différents textes juridiques, qui relèvent de logiques différentes sous-tendues par le Code général des collectivités territoriales, le Code de la sécurité intérieure et le Code de l’environnement, ne facilitant ni la prévention ni la couverture du risque. Une analyse est alors conduite sur la nécessité de faire converger ces différentes logiques afin d’améliorer la couverture des risques. En réalité, le logiciel DEMOCRITE y gagnera en efficacité et a pour ambition justement d’aider à renforcer la cohérence entre les approches. Tel est le cas notamment de la mise en cohérence du PPRT et du PPI.

L’« égalité face aux secours », est appréhendée sous l’angle de l’égalité des chances. En effet, la différence de situation s’apprécie au regard de la chance d’être secouru en temps et heure au regard de la couverture des risques sur le territoire visé . Ce constat, non encore envisagé par le droit, met en perspective la nécessité de reconnaître le principe consubstantiel d’égalité devant les secours et les conséquences qui y sont attachées en matière de responsabilité, d’information des populations, d’assurance, d’aménagement du territoire, et plus largement en matière économique. La répartition inégalitaire des moyens matériels, financiers et humains dédiés à la couverture des risques sur l’ensemble du territoire national, crée des différences objectives de situation entre les populations concernées en situation de catastrophe. Il s’agit ici de s’intéresser aux administrés (résidents ou itinérants) des bassins de risques étudiés.

Les éléments juridiques sont à mettre en relation avec la fonction économique des SDIS qui n’est pas forcément reconnue et reste un sujet tabou.

L’«égalité face aux secours», est appréhendée sous l’angle de l’égalité des chances.
interventions bspp

Déterminer les conséquences potentielles d’une explosion en milieu urbain

Depuis les attentats de 2015, les services de secours ont dû faire face, en plus des « risques » à des « menaces » qui pourraient être qualifiées comme « la recherche d’une capacité à nuire ». En conséquence, la multiplication dans le monde des attentats à l’explosif et les conséquences de ceux-ci en termes de dégâts humains et matériels ont rendu nécessaire le développement d’outils de prévision des conséquences d’une explosion en milieu urbain.

Les approches empiriques (cercles de danger) ne sont valables qu’en champ libre et conduiraient à sous-estimer considérablement l’étendue des dommages en milieu urbain. Les approches scientifiques (codes numériques 3D) ne sont pas utilisables du fait du temps de calcul prohibitif. C’est pourquoi le CEA-Gramat, fort de ses compétences en détonique, a développé pour DEMOCRITE le modèle rapide FLASH, capable de déterminer en une à deux minutes des zones de danger réalistes et des cartographies de conséquences probables, en prenant en compte le milieu urbain :

  • effet des rues, « canyons urbains » produisant une canalisation des effets,
  •  réflexion sur les façades de bâtiments, cause d’une augmentation locale des effets,
  • contournement des bâtiments, provoquant au contraire une diminution des effets.

Un exemple de simulation est présenté ci-dessous : les cercles d’iso-dommages représentent l’approche classique des zones de danger (seuils en surpression) sont comparés aux résultats calculés par FLASH. Le phénomène « canyons urbains » est particulièrement visible.

Democrite interventions Explosion Figure 1

Les cartographies de conséquences se basent pour l’instant sur les seuils des zones de danger règlementaires en surpression appliqués en pyrotechnie, ainsi que sur les modèles probabilistes du « Green Book » de TNO (agence gouvernementale des Pays-Bas), et traitent :

  • les effets sur l’être humain (rupture de tympan, décès par implosion des poumons),
  • les effets sur le bâti (bris de vitres, dégâts mineurs, dégâts majeurs, effondrement).

Ces modèles pourraient être remplacés ou complétés par d’autres critères.

Le modèle FLASH, qui n’a pas d’équivalent en international, a été partiellement validé sur des expérimentations à différentes échelles, ainsi que par comparaison à des simulations numériques « lourdes ». Il a été également utilisé avec succès pour l’analyse d’attentats récents (Oslo en particulier).

Déterminer la susceptibilité d’un îlot à la propagation d’incendie

Même si les incendies en zone urbaine représentent une part minoritaire (5% environ) des interventions, ils sont la source de la majorité des accidents corporels pour les habitants et pour les pompiers et sont l’objet d’interventions de longue durée. On peut aussi ajouter que l’on peut mettre en exergue l’activité économique des SDIS en mesurant « froidement » le coût du « sauvé » . Ce risque est donc à considérer avec la plus grande prudence et c’est pourquoi il a été décidé de le modéliser dans DEMOCRITE.

Comme pour toute brique logicielle de DEMOCRITE, il faut concilier vitesse d’exécution et justesse des résultats, dilemme auquel le couplage de deux méthodes a répondu : la première s’intéresse à la propagation de l’incendie jusqu’au niveau du bâtiment (feu de structures) et passe la main à la deuxième qui propage l’incendie de bâtiment en bâtiment.

La propagation de l’incendie du point d’inflammation jusqu’au bâtiment a été étudié par le laboratoire PPRIME. Il a tout d’abord fait l’étude statistique de deux zones de la ville de Paris, comportant plus de 6 000 immeubles, en déterminant comment s’organisaient les bâtiments (nombre d’étages, matériaux de construction, superficie des appartements …), quelle était leur contenu mobilier et de quel matériau ces meubles étaient composés. Des études expérimentales ont déterminé les caractéristiques de pyrolyse des matériaux, puis des simulations avec le code numérique FDS (Fire Dynamics Simulator), ont permis de déterminer les caractéristiques temporelles de propagation de l’incendie dans une approche multiéchelle : matériau isolé, meuble, pièce, appartement, étage et bâtiment. Les simulations jusqu’à l’échelle de l’appartement ont été comparées à des résultats d’essais.

Les résultats issus de cette étude préliminaire ont servi de données d’entrée à l’algorithme mis en œuvre par la société IPSIS dans DEMOCRITE. Cet algorithme, dont le temps d’exécution est compatible des attentes opérationnelles, est inspiré de la technique des « automates cellulaires ». Cette technique a été utilisée par Zhao pour la modélisation d’un incendie à Kobe (Japon) qui a détruit une grande partie de la ville ; nous l’avons adaptée aux caractéristiques urbaines de Paris, grâce aux données cartographiques disponibles et aux résultats de l’étude bâtimentaire.

Il est important de préciser que la modélisation d’un incendie ainsi réalisée est utilisée ici pour déterminer la « susceptibilité » des quartiers : l’incendie se déroule sans intervention des secours, afin de connaître les pertes humaines et matérielles que l’intervention a permis d’éviter et d’envisager un indicateur de risques, caractéristique de chaque bâtiment ou de chaque îlot.

L’opérationnel peut rejouer la simulation en visionnant le déroulement de l’incendie et les bâtiments passant peu à peu de l’état intact à l’effondrement, en passant par des phases intermédiaires (inflammation, « flashover », développement, feu de structure), pour arriver par exemple à un état final tel que celui présenté sur la carte ci-dessous.

Democrite interventions Incendie Figure 2
Il est important de préciser que la modélisation d’un incendie ainsi réalisée est utilisée ici pour déterminer la «susceptibilité» des quartiers.

Actuellement, cette modélisation est en cours d’amélioration grâce à une expertise du laboratoire de l’INRIA/X qui est le conseiller mathématique du projet : comment passer d’une simple adaptation du modèle de Zhao à une optimisation complète de l’algorithme pour Paris. Par ailleurs, le CEA poursuit les simulations FDS sur des variantes de bâtiments afin, à terme, d’étendre ces approches à l’ensemble du territoire.

Cartographier la vulnérabilité intrinsèque du territoire

L’École des mines d’Alès (groupe ARMINES) a eu pour tâche d’évaluer les vulnérabilités humaine et fonctionnelle intrinsèques sur le territoire d’intervention de la BSPP. Le couplage de cette connaissance plus fine du territoire avec la cartographie de propension des risques doit aider aux réflexions sur la couverture des risques du territoire.

La vulnérabilité humaine est analysée sous un angle spatio-temporel, permettant ainsi de tenir compte de la réalité des flux et activités sur le territoire. Pour ce faire, dans un premier temps les catégories d’ « usagers » du territoire d’étude (population résidente et non-résidente) sont définies. Parallèlement sont étudiés leurs modes de vie (activités, déplacements pendulaires) ainsi que les types de lieux que ces populations fréquentent. Par ailleurs, un découpage temporel (plusieurs phases durant la journée, semaine, etc.) est appliqué aux données de façon à tenir compte des fortes disparités pouvant être observées selon la période d’intérêt (heure de pointe, période estivale, etc.). Le résultat de cette étude permet de fournir des cartographies spatio-temporelles de vulnérabilité humaine.

Ces cartes montrent par exemple que les quartiers résidentiels ont une vulnérabilité plus grande la nuit au contraire des immeubles de bureau qui sont inoccupés pendant la nuit.

Le territoire est également vulnérable de par les éléments matériels et/ou structurels (bâtiments, réseaux, etc.) qui le composent et qui exercent des fonctions essentielles. Pour évaluer la vulnérabilité fonctionnelle du territoire, les enjeux fonctionnels potentiellement exposés sont dans un premier temps identifiés, puis hiérarchisés sur la base de leur nature (service rendu) et de leurs caractéristiques propres et/ou de l’importance de leur activité (vulnérabilité intrinsèque), par exemple le nombre d’hospitalisations pour un établissement de santé.

Ces étapes sont complétées par la détermination des moyens de substitution en cas de perte de leur fonctionnalité (vulnérabilité contextuelle), des services ou besoins essentiels dont ils dépendent pour assurer leur fonction principale (interdépendance), de leur capacité à subir un dommage tout en maintenant leur fonction et/ou à retrouver un état de fonctionnement normal (action de résilience) ainsi que de leur proximité à des sources de danger connues (vulnérabilité spatiale). Ces six dimensions sont ensuite renseignées au travers de plusieurs paramètres. L’agrégation de l’ensemble de ces critères permet d’établir la vulnérabilité fonctionnelle des éléments constituant le territoire.

Il est alors possible de représenter sous forme cartographique les niveaux de vulnérabilité fonctionnelle à différentes résolutions ou échelles d’observation, c’est-à-dire à l’enjeu (le bâtiment, le réseau, etc.) ou à la maille souhaitée, par exemple la maille de 200 mètres sur 200 mètres, essentielle pour les pompiers.

Exploiter les capacités résiduelles des centres de secours pour une date passée, en tenant compte de la vitesse moyenne des engins.

Cartographier la couverture opérationnelle.

Les cartes de vulnérabilité fournissent à l’utilisateur de DEMOCRITE une bonne vision des vulnérabilités temporalisées, mais l’intérêt opérationnel porte également sur la capacité du service à couvrir les risques survenus sur un territoire à tout moment et donc déterminer la couverture opérationnelle résiduelle.  L’opérationnel doit pouvoir répondre à des questions du type :

« Si à telle heure de la journée, j’ai un accident dans tel lieu, combien aurais-je de VSAV à ma disposition à moins de 5 mn ? A moins de 10 mn ? ».

C’est pourquoi DEMOCRITE a la possibilité d’exploiter les capacités résiduelles des centres de secours pour une date passée, en tenant compte de la vitesse moyenne des engins. La carte de couverture résiduelle qui suit (assimilable à une couverture nuageuse – image chère au Colonel Stéphane Raclot, à l’origine de DEMOCRITE – les zones bien « couvertes » apparaissent donc en couleur foncée ) représente le nombre de véhicules de type VSAV disponibles à moins de 5 minutes de chaque tuile du carroyage 200×200 pour un GDH (Groupe Date Heure) historique. Les zones non colorées montrent les endroits où les victimes d’un accident ou d’un malaise n’auraient pas pu être rapidement secourues.

Democrite Couverture intervention Figure 3

Pour savoir si ces zones représentent réellement des trous de couverture opérationnelle, il faut comparer la couverture résiduelle à un indicateur de risque (densité de population, fréquence d’intervention issue du RETEX, etc.). En effet, si la zone est peu peuplée ou peu accidentogène, il est acceptable d’avoir une couverture plus faible. La carte ci-après croise la couverture résiduelle en VSAV à 5 minutes et l’indicateur de risque lié au RETEX de la Brigade pour le secours à victimes. Le niveau de risque augmente du vert foncé au rouge, et l’intensité du risque résiduel est donnée par l’intensité de la couleur. Dans cette carte, on aperçoit clairement une zone de risque résiduel élevé.

On peut remarquer que cette tension dans la couverture reste cependant acceptable puisqu’elle se situe en-deçà des délais moyens constatés. Cet indicateur permet de mettre en exergue une vulnérabilité potentielle plus qu’une défaillance à satisfaire un contrat opérationnel donné.

Democrite Couverture interventions Figure 4

La gravité d’un trou de couverture dépend toutefois aussi de l’extension spatiale et temporelle de celui-ci, ce qui fera l’objet de travaux ultérieurs.

L’analyse qui précède se base sur le retour d’expérience et ne permet pas de visionner ce qui pourrait se passer dans l’avenir. Pour cela, il faudra arriver à relier les caractéristiques propres du territoire au nombre d’interventions. Une étude de faisabilité sera menée par SYSTEL et le CEA, aidés par l’équipe INRIA/X, d’ici la fin du projet. Dans le futur, des algorithmes d’apprentissage et des méthodes d’analyse prédictive pourraient être développés, de même que la possibilité de tester de manière virtuelle des variantes de couverture opérationnelle et de règles d’engagement.

«Si à telle heure de la journée, j’ai un accident dans tel lieu, combien aurais-je de VSAV à ma disposition à moins de 5 minutes ? A moins de 10 minutes ?».

Perspectives

À quelques mois de la fin des travaux, DEMOCRITE a su répondre aux questions des pompiers de Paris sur la vulnérabilité de leur territoire et leur capacité de couverture des risques. Même si DEMOCRITE reste pour l’instant un démonstrateur, sa conception a suivi des règles de qualité logicielle dignes d’un logiciel opérationnel ; c’est une des raisons qui lui ont permis d’avancer aussi rapidement en partant il y a trois ans d’une simple spécification de besoins sous forme papier, émise par la BSPP pendant la première année du projet.

Il est prévu de consacrer du temps d’ici la fin du projet à l’établissement d’un cahier des charges pour faire de ce démonstrateur un outil pleinement opérationnel. Le contexte est particulièrement favorable, puisque la DGSCGC (Direction Générale de la Sécurité Civile et de la Gestion de Crise) a lancé une grande réflexion sur la refonte de l’actuelle SDACR . La présentation de DEMOCRITE aux Techno’Days de Valabre a suscité l’intérêt de plusieurs SDIS, du Bataillon de Marins-Pompiers de Marseille, mais aussi de bureaux d’études ; tous sont des utilisateurs potentiels dont les besoins pourront être pris en compte dans ce futur projet.

Parmi les nouvelles fonctionnalités, on peut déjà citer :

  • l’ajout de modèles simplifiés pour de nouveaux risques (dispersion de polluant, propagation d’épidémie, effets cascade impliquant des réseaux ou des infrastructures critiques, …),
  • la détection automatique par analyse du RETEX des trous de couverture ayant une persistance spatiale et/ou temporelle supérieure à un seuil critique,
    – la possibilité de rejeu d’une période donnée, en modifiant les règles d’engagement et/ou les moyens disponibles (nombre et localisation),
  •  le croisement entre zones de danger et vulnérabilité humaine / fonctionnelle pour prévoir au mieux les moyens à engager en cas de crise,
  • la possibilité de générer automatiquement des cartes et des rapports,

Par ailleurs, le projet DEMOCRITE a permis de mettre en évidence le besoin de données cartographiques et de RETEX complètes, harmonisées, à jour et fiables. Le recueil manuel ou automatisé de ces données sera dans le futur un enjeu majeur.

Pour faire le point sur les apports juridiques du projet, un séminaire a été organisé à l’Université de Haute Alsace le 11 octobre 2017. Le 27 février 2018 à Paris (École Militaire), un second séminaire portera sur le bilan scientifique du projet et préparer une suite à DEMOCRITE.

 

Remerciements

Les partenaires tiennent à remercier l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) qui a cofinancé le projet DEMOCRITE (projet ANR-13-SECU-0007-01), ainsi que le SGDSN et la DGA pour leur soutien.

Les partenaires remercient également monsieur Carlo Zaglia et l’équipe de Soldats du Feu Magazine, pour l’autorisation de réutiliser le présent texte, publié dans le n°83 de leur magazine.

CRÉDITS

Dossier réalisée par

Emmanuel Lapébie

Loïc Youinou

Participation pour la BSPP

M. Vianney Boeuf

Capitaine Floriane Brill

Lieutenant-colonel Paul-Marie Vilbé

Photos

1e classe Karim Ply

BSPP

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