AIRCITY
Simulation 3D de la qualité de l’air en ville
avec une résolution de 3m

Novembre 2013 - Ce projet d’une durée de 24 mois, qui s’est achevé le 4 juillet 2013, avait pour objectif de développer un système de simulation révolutionnaire pour représenter et prévoir la pollution atmosphérique en tout point d’une très grande ville comme Paris, avec une résolution de l’ordre de quelques mètres.

Le prototype AIRCITY prend en compte l’influence des bâtiments pour mieux évaluer la dispersion de la pollution par le vent

A l’heure actuelle, aucune ville ne diffuse de cartes de pollution sur l’ensemble de son territoire avec une résolution de l’ordre du mètre. Or, seul ce niveau de résolution permet de mettre en évidence la dispersion des polluants au sein d’un milieu urbain complexe, et donc de documenter l’exposition de chacun à la pollution avec précision.

Les objectifs du projet AIRCITY étaient de rendre cela possible par la mise en œuvre du meilleur compromis entre justesse des modèles numériques et capacité de calcul parallèle associée, et de valider ces modèles par des mesures détaillées, réalisées notamment par des instruments de télédétection lidars.

A l’issue du projet, l’ensemble de ces enjeux techniques ont été relevés, notamment :

• Adapter le réseau routier et, de façon générale, les données urbaines, à des calculs à haute résolution

• Introduire dans le modèle de calcul parallèle PMSS, déjà utilisé par le CEA dans le cadre de la défense civile, des évolutions lui permettant de mieux modéliser la qualité de l’air, telles que la prise en compte de mécanismes chimiques et de la turbulence générée par le trafic

• Coupler finement des calculs de grande-échelle (WRF/MM5/CHIMERE) avec les calculs de micro-échelle réalisés par PMSS

• Valider les profils de vent calculés par le système ainsi que les concentrations en oxydes d’azote et en particules en les comparant aux mesures de stations d’AIRPARIF et aux mesures LIDAR réalisées par LEOSPHERE dans le cadre d’une campagne de validation dédiée

• Déployer le système sur cluster moyen (24 cœurs) pour calculer les concentrations à 3 m de résolution sur un quartier parisien de 2,3 km x 2,3 km et le déployer sur cluster géant (au CCRT, sur la machine « airain » – entre 241 et 800 cœurs utilisés dans le cadre du projet) pour des calculs à 3 m de résolution sur l’ensemble de Paris (12 km x 10,5 km)

• Obtenir des temps de calcul compatibles avec un fonctionnement en mode prévision

• Déployer en aval des calculs un mode de visualisation « expert » basé sur l’utilisation parallèle du modèle PARAVIEW au CCRT, un mode de visualisation « grand public » orienté Web (Desktop, smartphones et tablettes), ainsi qu’un mode de visualisation « immersif » reposant sur l’intégration des résultats de modélisation dans une maquette numérique de la ville.
  

Champ de concentration à 3 mètres de résolution sur le domaine tout Paris

Le projet AIRCITY a délivré des résultats prometteurs offrant de nombreuses perspectives. Très haute résolution, temps de calcul raisonnables, reconstitution physique précise du vent et de la dispersion, représentation graphique en trois dimensions : autant de performances qui font d’AIRCITY un système déployable en France comme à l’export, sur cluster moyen comme sur cluster géant, sur un quartier autant que sur une ville entière.

AIRCITY en quelques chiffres :

• Résolution : 3 m
• 2 zones : l’hyper centre (2,3 km par 2,3 km) et Paris tout entier (12 km par 10,5 km)
• 4 stations de mesure Airparif sur l’hypercentre, 20 stations sur l’ensemble de Paris
• 3 Lidars déployés (1 Lidar Aérosols, 2 Lidars vent)
• Emissions du trafic routier réparties sur 38 000 portions d’axe pour tout Paris
• Découpage d’une ville en 120 tuiles pour un calcul massivement parallèle
• Temps de calcul pour une journée, environ 10h sur hyper centre (sur cluster moyen) et 14h sur tout Paris (sur cluster géant)
• Moyens de calculs : 24 cœurs pour l’hyper centre, 500 cœurs pour tout Paris

Objectif 

L’objectif  du projet est de développer un système de simulation révolutionnaire pour représenter et prévoir la pollution atmosphérique en tout point d’une très grande ville, avec une résolution de l’ordre de quelques mètres, et ce pour toute l’étendue de la ville.

Partenaires

Le projet regroupe des PME et des organismes publics : il transpose au domaine civil les résultats de 10 ans de recherche en Défense, avec un partenariat entre ARIA Technologies, CEA, AIRPARIF et LEOSPHERE, auxquels sont associées MOKILI et IGN France International.
ARIA apporte le modèle de calcul MSS, le CEA sa compétence en calcul parallèle, AIRPARIF ses bases de données d’émission et de pollution de fond, LEOSPHERE sa technologie de mesures laser.

• ARIA Technologies a une position de leader français dans le domaine de la simulation numérique de l’environnement atmosphérique
  

• AIRPARIF : leader des associations de surveillance de la qualité de l’air en Europe
  

• CEA : les plus grands calculateurs parallèles d’Europe, et la compétence en calcul scientifique correspondante
  

• LEOSPHERE : leader mondial dans le domaine des mesures LIDAR dans l’atmosphère
  

• IGN France International dispose d’une compétence exceptionnelle dans le domaine des structures de données permettant de décrire la «Ville Numérique »
  

• MOKILI apporte une compétence de pointe en algorithmique parallèle.
  

Le projet AIRCITY a été labellisé par le Conseil d’Administration d'Advancity, en date du 19 novembre 2009 dans le cadre de l’appel à projets FEDER « R&D collaborative » n° 3. Il bénéficie également du visa « TIC et Ville durable » décerné par les trois pôles Advancity, Cap Digital et Systém@tic Paris Région.

Modélisation utilisée

Calcul massivement parallèle sur toute la ville

Marchés visés

Pollution atmosphérique urbaine
Centres de surveillance de l’Environnement des grandes villes.

• Modèle économique : abonnement tri-annuel.
• Nom de marque ARIA City
• Diffusion de l’application comme « Software as a Service »,
• Marché : quelques centaines de villes dans le monde.

Sécurité Civile
Défense Civile dans les pays développés

Premiers résultats

Cas cible réel : tout Paris.

Polluant pris en compte : NOx

Prise en compte de l’ensemble des bâtiments parisiens avec une résolution de 3 mètres

Calcul sur machines du CEA (Platine) avec 700 processeurs.

Le fonctionnement en parallèle complet est assuré, jusqu’au rendu graphique : les  temps de calcul sont acceptables.

Le réalisme des résultats est extrêmement encourageant.

Contact : Christophe OLRY
corly-at-aria.fr
T.: 01 46 08 72