Representation and simulation of construction projects tainted with uncertainties by using probabilistic relational models
Représentation et simulation de projets de construction entachés d’incertitudes en utilisant des modèles relationnels probabilistes
Résumé
The difficulty to manage risks in construction projects comes from their complexity. They are composed of many entities (activities, actors, contracts, resources, etc.) among which interactions exist at many levels and influence the system response. In turn, this response can influence the behaviour of some entities. In order to capture the complexity of the system, it is necessary to structure, model and share cross-disciplinary and interdisciplinary knowledge flows in a common and unifying framework. Because of this high complexity, the system response may appear as unpredictable. Uncertainties at all scales are source of risk for the construction project itself. Tackling this complexity could improve our grasp of the whole system, in order to provide more robust and efficient decision alternatives in risk management. It is then essential to propose conceptual approaches able to represent the behaviour and the interactions of system entities over the time.Different approaches and tools have been proposed to model and simulate risk of construction project as Risk Breakdown Structure, Bayesian networks, Network Theory, Monte Carlo Simulation, Analytical Network Process, etc. These tools and methods can be used to simulate the behaviour of the system, but they are inadequate for representing large and complex dynamical system because they are based on case-dependant model (i.e. a specific model has to be built for each studied construction project), the fragmented representation of knowledge, the lack of common vocabulary, the lack of generic character. Hence, an ontology paradigm is developed in order (a) to provide a common vocabulary able to represent the knowledge about construction projects and its risks, (b) to shape the structure (interrelations) between those identified database and (c) to represent construction project integrating as well technical, human, sustainability dimensions at different detailed levels of uncertainty.In this context, by coupling the advantages of ontology and Bayesian network, the framework of probabilistic relational model (PRM) will provide a practical mathematical formalism allowing to represent and simulate complex stochastic dynamical systems. PRMs extend the formalism of Bayesian networks by adding the notion of object paradigm where uncertainty attached to the system is then taken into account by quantifying probabilistic dependence between the properties of objects and other properties of related objects. To the best of our knowledge, this thesis report will be the first application in which PRM have been proposed to model and simulate construction project while accounting uncertainties.Therefore PRM is used to simulate the propagation of uncertainties existing in this complexdynamic and multi-scale system, which lead to construction project risk. A prototypal software framework has been developed to check the consistency and the viability of the concept. It will be shown how it can be used in order to predict the uncertain response of the system as well as to study how the overall response of the system is sensitive to local values or assumptions. Lastly, PRM will be applied for two case-studies (a road and bridge construction in Hue-Vietnam and another building project in France). Results show that the formalism of PRMs allows to (1) implement any kind of construction project, (2) to take uncertainty into account, (3) to simulate and predict the behaviour of system and (4) to derive information from partial knowledge.
La gestion des risques est un enjeu majeur, mais difficile pour les projets de construction. La difficulté à gérer les risques dans les projets de construction vient de leur complexité. Ils sont composés de nombreuses entités (activités, acteurs, contrats, ressources, etc.) dont le comportement collectif influencent les comportements individuels. Afin de mieux appréhender et comprendre la complexité du système dans son ensemble, il est nécessaire de capitaliser et structurer la connaissance dans le but de proposer un modèle capable de décrire et simuler le comportement du système étudié. Cependant, la formalisation de tels modèles se confronte à de nombreuses difficultés : présence de facteurs humains, raretés de modèles, connaissances souvent expertes et qualitatives difficiles à formaliser, méconnaissance des mécanismes régissant certains processus, données parcellaires, hétérogènes et souvent imparfaites, échelles multiples, etc. L’objectif est de proposer des approches conceptuelles permettant d’assembler des morceaux de connaissances hétérogènes multi-sources et multi-échelles dans le but de proposer un modèle capable de réduire les incertitudes liées au fonctionnement, au devenir, à la conception et au pilotage des projets de construction.Différentes approches et outils ont été proposés pour modéliser et simuler les projets de construction : structure de répartition des risques, réseaux bayésiens, théorie des réseaux, simulation de Monte Carlo, réseau analytique, etc. Ces outils et méthodes sont utilisés pour simuler le comportement de systèmes, mais inadéquats pour représenter des systèmes complexes dynamiques à grandes échelles. Ils sont pour la plupart parcellaires et ne présentent pas ou peu de généricités. Dans ce contexte, les modèles relationnels probabilistes (MRPs) fourniront un formalisme mathématique pratique permettant de représenter et de simuler des systèmes dynamiques complexes entachés d’incertitudes. Les MRPs étendent le formalisme des réseaux bayésiens en ajoutant la notion de paradigme objet où l'incertitude attachée au système est alors prise en compte en quantifiant la dépendance probabiliste entre les propriétés des objets.Pour ce faire, une ontologie du domaine a été développée pour (a) fournir un vocabulaire commun capable de représenter les connaissances sur les projets de construction, (b) identifier les interconnections entre les différentes entités techniques, humaines, économiques à différents niveaux de description. Guidé par cette ontologie unMRP a été élaboré et utilisé pour simuler le comportement des projets de construction tout en prenant en compte les incertitudes. On montrera comment il peut être utilisé pour prédire la réponse incertaine du système ainsi que pour étudier comment la réponse globale du système est sensible aux valeurs ou hypothèses locales. Enfin, le MRP sera utilisé pour deux études de cas (la construction de routes et de ponts à Hue-Vietnam et d’un bâtiment en France). Les résultats montrent que le formalisme des MRPs permet (1) d’instancier tout type de projets de construction, (2) de prendre en compte l'incertitude, (3) de simuler et prédire le comportement du système et (4) d’extraire de la connaissance à partir d’informations partielles.
Origine : Version validée par le jury (STAR)