Renforcer la résilience des infrastructures du Nord grâce aux technologies climatiques et à la numérisation

Le Secrétaire général des Nations Unies, António Guterres, qualifie le changement climatique de «Un code rouge pour l'humanité", avertissant du caractère irréversible des dommages qui en résultent. Il est nécessaire, mais pas suffisant, de disposer de plans pour faire face aux conséquences du changement climatique. Nous devons également prendre des mesures pour prévenir et minimiser les effets indésirables du changement climatique. Cela revêt une importance particulière lorsqu'il s'agit de construire et de gérer les infrastructures dans les régions du Nord. 

Pendant des siècles, les ingénieurs se sont appuyés sur une hypothèse fondamentale : le climat était stable et stationnaire. Les infrastructures ont été conçues en fonction des modèles climatiques historiques, dans l'espoir que les conditions passées pourraient aider les humains à prédire de manière fiable l'avenir. Cette croyance, également appelée «stationnarité", a guidé la construction de routes, de voies ferrées, de pipelines et d'autres infrastructures vitales par les ingénieurs civils des temps modernes. Mais à mesure que le changement climatique s'accélère, cette hypothèse n'est plus valable.

Dans les régions du Nord, où une grande partie des infrastructures repose sur le pergélisol, la hausse des températures mondiales remodèle le paysage. Le pergélisol, autrefois considéré comme une fondation stable, fond, ce qui compromet l’intégrité structurelle des actifs construits sur lui. Les ingénieurs sont confrontés à une nouvelle réalité : les variations de température, les changements de régime des précipitations et les phénomènes météorologiques extrêmes plus fréquents créent des défis sans précédent.

La menace croissante pour les infrastructures du Nord

Les effets du changement climatique sont particulièrement graves dans l’Arctique, où les températures augmentent quatre fois plus vite que la moyenne mondiale. Le dégel du pergélisol menace non seulement les infrastructures, mais aussi les écosystèmes fragiles et les communautés qui en dépendent. Les infrastructures essentielles, notamment les réseaux de transport et les pipelines énergétiques, sont particulièrement vulnérables, le sol sous ces structures se tasse de manière inégale en raison du dégel du pergélisol. En outre, les glissements de terrain rétrogrades dus à la fonte de la glace du sol du pergélisol sont devenus plus fréquents dans l’Arctique. Leur nombre a été multiplié par 60 entre 1984 et 2015, avec plus de 4000 XNUMX glissements de terrain rétrogrades déclenchés, principalement après quatre étés particulièrement chauds. Les glissements de terrain sont fréquents le long des rivières et des lacs du nord et sur la côte ouest de l’Arctique. Les glissements de terrain rétrogrades dus à la fonte peuvent avoir de graves répercussions sur les infrastructures et la qualité de l’eau.

Cette instabilité présente des risques importants, car les ingénieurs doivent désormais faire face aux complexités d’un environnement en évolution rapide. Le pergélisol n’est pas un matériau uniforme ; sa réponse aux changements climatiques varie considérablement en fonction de la composition du sol, de la teneur en glace et des conditions de drainage. Prédire le comportement du pergélisol sous les charges externes et environnementales (par exemple, le poids d’une structure, les changements de température ou les précipitations) est particulièrement difficile. En général, les ingénieurs observent trois stades de tassement dans les infrastructures construites sur le pergélisol : le tassement instantané, le tassement stable et le tassement accéléré. La question cruciale est de savoir quand le tassement stable basculera vers le tassement accéléré, signe que la rupture est peut-être imminente.

La technologie climatique, un outil de changement 

Face à ces défis, les progrès rapides des technologies d’intelligence artificielle (IA), d’automatisation, de télédétection, d’analyse de données volumineuses et de l’Internet des objets (IoT) offrent l’espoir de systèmes d’alerte précoce et de gestion adaptative numérique capables de surveiller et de prédire de manière dynamique les vulnérabilités des infrastructures aux risques climatiques. Parmi les outils les plus prometteurs, on trouve le Jumeau Numérique une technologie qui pourrait transformer fondamentalement la manière dont les infrastructures sont surveillées et gérées dans les régions du Nord.

Développée à l’origine par la NASA pour le programme Apollo, la technologie des jumeaux numériques crée une réplique virtuelle dynamique d’un système physique. Contrairement aux modèles traditionnels, les jumeaux numériques sont continuellement mis à jour avec des données en temps réel et quasi-réel, qui offrent une image évolutive de la façon dont un actif réagit aux conditions environnementales et aux contraintes structurelles. Pour les infrastructures construites sur le pergélisol, cela signifie que les ingénieurs peuvent suivre les changements du sol (fluctuations de température et niveaux d’humidité, par exemple) au fil du temps et prédire comment ces changements pourraient affecter la stabilité d’une route, d’un pipeline ou d’un bâtiment.

La technologie des jumeaux numériques se distingue par sa spécificité. Chaque jumeau est créé pour un actif particulier, reflétant les caractéristiques uniques de ce site. Ce niveau de précision est essentiel dans les régions de pergélisol, où les conditions du site peuvent varier considérablement, même sur de courtes distances. Les jumeaux numériques offrent une adaptation en temps réel en intégrant les données des capteurs intégrés à l'infrastructure et à son environnement, ainsi que l'imagerie satellite pour prédire les performances et les risques futurs.

Pouvoir prédictif et alertes précoces 

L’une des applications les plus puissantes des jumeaux numériques est la capacité à prévoir les transitions critiques dans la stabilité des infrastructures. Par exemple, lorsque le pergélisol dégèle sous une structure, les capteurs peuvent détecter des changements subtils de température, d’humidité et de capacité de charge. Ces points de données alimentent le jumeau numérique, qui utilise des algorithmes géomécaniques avancés pour prédire le moment où le tassement régulier du sol va s’accélérer, déclenchant ainsi des alertes précoces qui peuvent inciter à prendre des mesures préventives avant qu’une catastrophe ne survienne.

La technologie des jumeaux numériques représente bien plus qu’un simple outil de surveillance des infrastructures. Elle marque un changement fondamental dans la manière dont nous concevons et gérons les systèmes critiques face au changement climatique. Cette capacité prédictive offre un avantage considérable par rapport aux approches traditionnelles, qui reposent souvent sur des inspections périodiques et des données obsolètes. Avec les jumeaux numériques, les parties prenantes ne se contentent pas de réagir aux défaillances, elles les anticipent. Cela peut constituer une avancée majeure pour améliorer considérablement la gestion proactive des infrastructures. Ce passage de stratégies réactives à des stratégies adaptatives est essentiel à une époque où les conditions climatiques évoluent plus rapidement que jamais.

Dans les régions du Nord, où les effets du réchauffement climatique se font sentir de manière aiguë, les jumeaux numériques permettent aux ingénieurs de simuler des scénarios climatiques futurs et de tester la réaction de différents actifs. Cela permet une prise de décision plus éclairée, car les ingénieurs peuvent planifier les risques climatiques les plus probables et élaborer des stratégies d'urgence en conséquence.

Au-delà des risques immédiats, les jumeaux numériques favorisent la planification de la résilience à long terme. En modélisant les impacts potentiels des phénomènes météorologiques extrêmes et des changements climatiques progressifs, les ingénieurs peuvent ajuster les calendriers de maintenance, renforcer les sections vulnérables des infrastructures et mettre en œuvre des conceptions adaptatives capables de mieux résister aux conditions futures.

L’avenir des infrastructures dans un monde qui se réchauffe

Les enjeux pour les infrastructures du Nord sont considérables. Au Canada seulement, les coûts financiers des dommages causés par le dégel du pergélisol pourraient atteindre des milliards de dollars par an d’ici la fin du siècle. Mais les risques vont bien au-delà des pertes financières. La défaillance des infrastructures menace les moyens de subsistance des communautés qui dépendent de ces systèmes, ainsi que les économies plus vastes qu’ils soutiennent.

La technologie des jumeaux numériques offre une approche fiable et basée sur les données pour gérer ces risques. En combinant des données de capteurs en temps réel avec des modèles géomécaniques basés sur la physique, les jumeaux numériques peuvent prédire le comportement des infrastructures dans différentes conditions climatiques et fournir des informations qui aident à prévenir les pannes avant qu'elles ne se produisent. Ces informations peuvent également éclairer des stratégies plus larges visant à atténuer les impacts socioéconomiques des dommages aux infrastructures dans les territoires du Nord.

À mesure que cette technologie continue d'évoluer, les domaines d'application potentiels ne feront que s'élargir. Les progrès dans l'analyse des mégadonnées, l'IA, l'apprentissage automatique, l'IoT et les systèmes d'observation de la Terre amélioreront la précision et les capacités des jumeaux numériques et permettront des prévisions encore plus précises. Cela est particulièrement important pour gérer la réponse décalée du pergélisol au changement climatique, où les conditions thermiques du sol sont souvent en retard par rapport au climat actuel.

Regard vers l’avenir : un chemin vers la résilience

Face aux changements climatiques rapides, le besoin de solutions innovantes pour protéger les infrastructures du Nord n’a jamais été aussi urgent. La technologie du jumeau numérique est sur le point de jouer un rôle central dans cet effort et offre aux ingénieurs et aux intervenants les outils dont ils ont besoin pour anticiper, s’adapter et répondre aux défis posés par le dégel du pergélisol et d’autres risques liés au climat.

En adoptant cette technologie de pointe, nous pouvons évoluer vers un avenir où les infrastructures seront non seulement protégées des risques climatiques, mais aussi résilientes et durables à long terme. Ce faisant, nous pourrons garantir que les communautés et les économies qui dépendent de ces systèmes essentiels continueront de prospérer, même si le monde qui les entoure évolue.