Réalité Virtuelle et Réalité Augmentée en Santé et Sécurité au Travail

Les réalités virtuelle (RV, VR en anglais) et augmentée (RA, AR en anglais) ont ouvert de nouvelles perspectives en Santé et Sécurité au Travail (SST), notamment pour la simulation des risques, la formation, la maintenance des équipements, l’assistance au suivi de procédures et pour l’ergonomie des postes de travail. L’intérêt, l’efficacité et l’acceptabilité de ces techniques prennent de plus en plus d’importance, à mesure des améliorations considérables offertes par les moyens informatiques, les objets connectés et les logiciels des « jeux sérieux » (serious games).

Avec un essor considérable, la RV et la RA sont de plus en plus utilisées dans les secteurs industriels et dans les services, en utilisant trois principes : immersion, navigation et interaction.

À la différence de la réalité augmentée (qui complète le réel par des éléments virtuels), la réalité virtuelle crée une situation entièrement virtuelle construite par ordinateur. Une technologie plus récente est la réalité mixte (RM) qui se situe entre la RV et la RA et mélange les mondes réels et virtuels pour créer des environnements complexes où les éléments physiques et numériques peuvent interagir en temps réel.

Dans le domaine de la sécurité du travail, les outils de simulation des risques professionnels offrent aux travailleurs l’opportunité d’une mise en situation virtuelle de risques, avec recherche de solutions pour faire face aux menaces d’accidents : les techniques de modélisation des risques et de simulation permettent d’appréhender les problèmes de sécurité au travail et de les résoudre fictivement, de travailler en équipe et de communiquer efficacement pour apporter des réponses adéquates à toutes les situations critiques potentielles.

- La simulation de risques, au travers de situations ciblées, est un moyen efficace de formation professionnelle : les plateformes de simulation sont des instruments d'apprentissage progressif et interactif et de développement rapide des compétences de gestion de risques, avec une vaste palette de différents médias numérisés performants qui s’appuient sur des logiciels et éventuellement des matériels connectés pour tester et simuler la sécurité au travail, et analyser les comportements individuels et collectifs en situation de crise. La formation des professionnels aux situations dangereuses, stressantes ou rares en réalité virtuelle permet la mise en place de scénarios confrontant le travailleur à ces situations avant de les rencontrer sur le terrain, améliorant considérablement sa pratique et sa gestion du stress. De même pour l’apprentissage de gestes techniques, le pilotage ou la maintenance d’équipements en réalité augmentée.
- L'utilisation d'un environnement 3D modulable en temps réel permet d’améliorer l'ergonomie des postes et/ou situations de travail dès la conception : la présentation des plans des installations de machines ou de bâtiments en réalité virtuelle permet d’identifier les accès aux différents composants, d’optimiser l’ergonomie générale des machines et de limiter les troubles musculosquelettiques, ou de prévenir les accidents de circulation des engins : grâce des objets connectés (casque immersif, écrans et lunettes 3D, capteurs de mouvement sur le corps, manette, tablette numérique ...), le travailleur, sous forme d'avatar, évolue à son poste de travail virtuel de manière hyperréaliste.
- Le BIM, Building Information Modeling (Modélisation des Données du Bâtiment), est une méthode de RV et RA, basée sur une maquette numérique et collaborative qui permet de créer et de gérer toutes les données techniques d’un bâtiment pour les différents corps de métiers, depuis son projet jusqu’à sa construction puis son exploitation. L’utilisation du BIM assure une meilleure prévention des risques en termes d’anticipation, de communication et de pédagogie : mieux identifier les risques, mieux les traiter, mieux sensibiliser les travailleurs avec des supports didactiques interactifs performants et ainsi travailler en meilleure sécurité.

Usages de la réalité virtuelle en SST

• Définition de la réalité virtuelle
  
  - La réalité virtuelle est un environnement totalement virtuel créé à l'aide d'un ordinateur et donnant à l'utilisateur la sensation d'être immergé dans des situations de travail de synthèse, et ceci sans les exposer aux risques et sans mobiliser les installations réelles. Cela permet de tester à faible cout de nombreuses solutions et, avec une approche collaborative, encourage le dialogue entre les différents acteurs pour les choix : opérateurs, concepteurs, préventeurs ... La réalité virtuelle restitue un monde virtuel modélisé en 3D avec lequel l’utilisateur peut interagir : cette interaction est obtenue par l’intermédiaire de périphériques et d’interfaces multimodales de navigation et de manipulation en trois dimensions (casques ou écrans 3D, gants de manipulation, systèmes avec retours d’effort, simulateurs de conduite, etc.) et/ou de communications à distance.
  - La réalité virtuelle donne la possibilité d’effectuer en temps réel des actions suivies par des programmes informatiques et d’éprouver un certain nombre de sensations visuelles (vision), auditives (ouïe) ou haptiques (toucher). Le casque VR (Head Mounted Display HMD) de réalité virtuelle est l’outil essentiel pour atteindre cette immersion dans l’univers virtuel et y évoluer seul ou accompagné d’autres personnes : le casque a une fonction de visualisation de l’environnement tandis que les manettes ont une fonction d’interaction, avec des capteurs pour garantir la localisation de la tête et des mains dans l’espace de façon à ce que la copie exacte de la position et des mouvements de l’utilisateur contribue à l’immersion. D’autres outils sont utilisés en réalité virtuelle, comme le CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) qui est une salle dans laquelle l’environnement virtuel est affiché sur les murs, les sols et les plafonds qui sont des écrans de projection : un affichage visuel réaliste est créé par des projecteurs positionnés à l'extérieur du CAVE et contrôlés par les mouvements physiques d'un utilisateur à l'intérieur du CAVE. Un système de capture de mouvement attachés aux lunettes 3D enregistre la position en temps réel de l'utilisateur qui interagit avec des joysticks, des data gloves ... Il s’agit d’une simulation d’un lieu existant ou totalement imaginaire au sein duquel il est possible de se mouvoir pour en explorer tous les aspects, de déplacer des objets, de modifier leur forme ou dimension, ou d’en ajouter. La RV immerge des opérateurs dans des situations réalistes sans les exposer aux risques et sans faire intervenir des installations réelles.


• L’immersive learning et l’immersive training
  
  - Les applications de la réalité virtuelle vont révolutionnés de nombreux secteurs : les jeux vidéo « sérieux » (ou pas !), bien sûr, avec leur impact sur la formation, en particulier en version gamifiée comme c’est le cas de l’immersive learning : les apprenants peuvent manipuler les outils qu’ils seront amenés à utiliser dans leur métier, s’entraîner au respect des procédures, appréhender les dangers auxquels ils peuvent être confrontés ... Malgré une présence de l’utilisateur tout à fait réaliste, la réalité virtuelle implique l’absence totale de risques. Elle rend possible une simulation de situations extrêmes qu’il serait complètement impensable de répliquer sur le terrain (incendies, accidents, etc.).
  - L’essor actuel des « serious games » est considérable car ils reproduisent un monde totalement virtuel représentant au plus près la réalité de l’usine ou du chantier, avec une diminution majeure des coûts car seul le logiciel suffit sans environnement physique autre que le micro-ordinateur, son écran et quelques interfaces. Les « serious games », ces « jeux sérieux », ont aussi la faculté de faire passer des messages de façon ludique, et proposent ainsi également une autre approche dans les outils de formation. Les logiciels des « serious games » répondent désormais aux problématiques de formation à la sécurité, mimant une multiplicité de situations à niveau de stress variable, avec des degrés élevés de réalisme : les simulations d’environnement de travail, de pilotage d’engin ..., l’immersion en 3D tendent à bien restituer des situations à risque professionnel. De plus, cette forme d’apprentissage éventuellement ludique, positive, incite les collaborateurs à participer aux efforts de sensibilisation à la prévention.
  - Les applications de réalité virtuelle d’Immersive Learning permettent de s’entraîner (Immersive Training) dans un environnement virtuel maîtrisé, avant de se confronter à la situation réelle. Grâce à la réalité virtuelle, les apprenants vivent une expérience de formation interactive et réaliste. Par exemple, la réalité virtuelle, aujourd’hui, est de plus en plus exploitée dans les hôpitaux, notamment au bloc opératoire et dans les centres de simulation en santé.
  - Spécifiquement pour la SST, l'objectif est de permettre à l'opérateur d'apprendre à reproduire de la façon la plus réaliste et fidèle les comportements attendus pour éviter les accidents en situation de crise face à des événements indésirables. Ce renforcement de la sécurité passe également par l’acquisition d’une meilleure connaissance des marges de fonctionnement par rapport aux conditions accidentelles ou anormales ou imprévues, ce qui est fondamental pour la gestion des systèmes industriels à risque. La simulation en sécurité permet de se former à des procédures, à des gestes ou à la prise en charge de situations dangereuses, d’analyser les réactions individuelles et collectives, d’améliorer la capacité à faire face à des événements indésirables à partir de scénarii qui peuvent être répétés, avec modification des paramètres et résultats en temps réel, sans incidence aucune sur l’exploitation : les apprenants peuvent faire, détecter ou corriger leurs erreurs sans risque. Les situations de travail peuvent être simulées en les décomposant pour permettre un apprentissage progressif des actions d’amélioration de la sécurité : on peut réitérer la situation après analyse des erreurs, créer des alternatives, introduire des difficultés croissantes, confronter les opérateurs à des situations rares, des presque-accidents, s’entrainer aux surprises et aux improvisations ... La possibilité de faire entrer les facteurs humains liés aux activités en équipes dans la simulation permet d’introduire une dynamique de groupe essentielle dans les situations critiques (répartition des rôles ...).


• La réalité virtuelle et l’ergo-conception
  
  - L’ergo-conception est la prise en compte de l’ergonomie dans la conception d‘un poste de travail : la RV facilite grandement la mise en évidence des points d’amélioration sur les postes de travail, et les éléments à prendre en compte pour une future situation de travail, afin notamment de prévenir les Troubles Musculo Squelettiques (TMS).
  - Pour un opérateur il est possible de tester des positions de travail dans un VR CAVE puis d'adapter les objets 3D environnants à ses mouvements. Ainsi, il est possible d'améliorer son environnement de travail et de mettre en évidence les éventuels problèmes de TMS pour le travailleur, notamment lors du suivi de l'intégralité des mouvements de son corps dans son environnement de travail sur une ligne de production.
  - Des dispositifs tels qu'un bras haptique peuvent être ajoutés pour l'apprentissage des gestes, le contrôle de l'accessibilité, dans des études d'ergonomie au sein de la scène virtuelle.
  - Des capteurs de mouvements permettent une analyse en temps réel des postures des opérateurs face à un équipement virtuel imitant leur poste de travail. En regardant les mouvements d’une personne réelle ou d’un avatar, les analyses permettent aux ergonomistes d’examiner tous les aspects de ce poste de travail. En particulier à la conception de nouveaux postes de travail, où les défauts peuvent être identifiés avant la mise en place du poste et limiter ainsi les changements ultérieurs.


• La réalité virtuelle et le Building Information Modeling (BIM)
  
  Le BIM, Building Information Modeling (Modélisation des Données du Bâtiment), est une méthode basée sur une maquette numérique et collaborative qui permet de créer et de gérer toutes les données techniques d’un bâtiment pour les différents corps de métiers, depuis son projet jusqu’à sa construction puis son exploitation : avec le BIM, les différentes analyses et simulations sont effectués très tôt dans l'étude d'un projet, permettant ainsi une conception de meilleure qualité et la détection des problèmes avant la mise en chantier, à un stade précoce du projet, avant que les coûts des modifications n'aient trop d’impacts ; mais aussi, le BIM permet d’appréhender les situations à risques, de les anticiper et de les limiter à partir de cette modélisation numérique en réalité virtuelle du site.
  
  En SST, le BIM permet d’identifier à l’avance les situations à risques, dès les études et la conception, puis lors de toutes les étapes de construction, pour éviter les nombreux dangers liés à la précipitation et à l’improvisation.
  La visualisation statique et dynamique des zones d’accès et des besoins de stockage, de la circulation des véhicules, des engins de chantier et des piétons, des stationnements, des flux des livraisons, facilite la prise en compte des risques dès la préparation du chantier.
  
  Le maître d’ouvrage et le concepteur peuvent vivre ainsi dans le bâtiment avant sa construction : marcher à l’intérieur du bâtiment, considérer les encombrements, ... : la réalité virtuelle permet de se situer dans un lieu absolument similaire à celui que l’on souhaite créer, mais sans aucune contrainte physique ou géographique ; et, une fois à l’intérieur de ce monde virtuel, il est possible d’examiner les espaces de manière totalement réaliste. Par exemple, la réalité virtuelle permet de visualiser les risques de collisions homme-engin, de collisions engins-engins, engins-obstacles, le bon positionnement d’une grue, la sureté des modes opératoires ...

Usages de la réalité augmentée en SST

• Définition de la réalité augmentée
  
  La réalité augmentée est une vue du réel agrémentée d’adjonctions interactives : cela consiste à construire une représentation se superposant au monde réel en apportant plus d’informations, via différents supports (lunettes, tablettes, smartphones...), par exemple pour l’aide à distance et en direct par un expert pour des opérations de réparation sur le terrain : le but de la Réalité Augmentée n’est pas d’immerger l’utilisateur dans une réalité totalement virtuelle, mais de le faire évoluer dans son environnement réel complété par des éléments virtuels, avec des informations pertinentes en surimpression, des données complémentaires en 2D, des objets 3D imaginaires, etc. à travers un appareillage connecté dédié : seuls ces ajouts sont concernés par la simulation, et non l’environnement lui-même comme pour la réalité virtuelle. Les technologies de RA, contrairement à celles de RV, ne substituent donc pas une analogie virtuelle au monde réel : la notion « d’augmentation » correspond à l’adjonction d’information apportée par des objets virtuels aux seules informations disponibles dans l’environnement immédiat du monde réel de l’utilisateur. Casques et lunettes, smartphone, tablette, pare-brise d’un véhicule, ... permettent de superposer des images, du texte, des animations, etc. sur l’environnement réel.
  
  D’autres concepts apparaissent, comme la « virtualité augmentée » qui se différencie de la « réalité augmentée » par le fait que, dans ce cas, c’est l’environnement virtuel qui est enrichi par des éléments réels ; quant au concept de « réalité mixte », il combine la réalité augmentée et la virtualité augmentée.
  
  La formation et l’assistance au suivi de procédures ou de contrôle et planification de l’avancement des chantiers figurent parmi les domaines d’application privilégiés de la RA, en fournissant un double support réel-virtuel à l’activité, par l’intermédiaire du stockage et de la délivrance d’information contextualisée.
  
  Les dispositifs de RA peuvent utiliser tous les moyens sensoriels (vision, audition, toucher) et la capture de mouvements en fonction des besoins de l’application.


• La réalité augmentée et la formation en SST
  
  En augmentant la réalité par des informations contextualisée en temps réel (par exemple en montrant simultanément et opportunément des objets et /ou mouvements et les concepts qui y sont reliés), en communiquant éventuellement avec un expert de la tâche qui observe et conseille à distance, l’amélioration de la formation sur un poste de travail d’assemblage ou de maintenance réside dans un apprentissage rapide et en sécurité grâce à la RA :
  
  - une mise en situation permettant de construire des connaissances d’une manière active et autonome, tout en ayant une sensation forte de présence d’aide ;
  - une compréhension plus facile des concepts techniques ;
  - une facilité d’élaboration de représentations de relations spatiales dynamiques et leur évolution dans le temps et l’espace ;
  - une réduction des risques d’erreurs pendant les sessions de formation, à travers l’interaction avec des informations contextuelles ;
  - un accroissement de la motivation de l’apprenant par un mode d’interaction nouveau et possiblement ludique.
  
  De plus, lors des exercices, les apprenants se sensibilisent et s’entraînent au respect des procédures liées à la sécurité ou à l’hygiène, lors de scénarios d’incidents ou de quasi-accidents, afin de réduire les risques dans la réalité de leur travail futur.


• La réalité augmentée et le Building Information Modeling (BIM)
  
  Le BIM permet le partage d'informations fiables tout au long de la construction et de la durée de vie d'un bâtiment ou d'une infrastructure. La maquette numérique du BIM est une représentation digitale des caractéristiques géométriques, physiques et fonctionnelles de ce bâtiment ou de cette infrastructure.
  
  L’environnement d’un chantier évolue en permanence et chaque ouvrage de construction ou de rénovation du BTP est un travail non récurrent et évolutif, puisque chaque chantier est spécifique et se modifie selon l’avancement des opérations : le BIM décrit non seulement la maquette à un instant donné, mais lui ajoute aussi une dimension supplémentaire, le temps, ce qui matérialise une planification 4D : ceci ne peut pas être visualisé sous la forme d’un document papier unique, mais est visionné soit sous forme de vidéo, soit visualisable sur ordinateur ou une tablette à l’aide d’un logiciel 3D, et ceci sur le terrain même.
  
  De plus en plus utilisé sur les chantiers, cet outil permet l’accès et l’enrichissement des données en temps réel pour suivre et contrôler l’avancement du projet sans s’encombrer d’une multitude de documents et de plans (structure, canalisations, réseaux fluides, gaz et électricité...).
  
  De plus, l’utilisation conjointe du BIM et de la réalité augmentée permet de superposer des éléments virtuels directement sur le réel, dans tout ou partie du bâtiment, ou par corps d’état, ou type de matériel ... : la simulation informatique, à l’aide d’interfaces qui emploient des techniques de la réalité virtuelle (casques 3D, ou autres futures interfaces), permet de simuler de multiples situations complexes et d’éviter le risque et le coût d’une série d’épreuves réelles, par ailleurs irréalisables ou difficilement réalisables (dimension, sécurité, coût, rareté, éthique ...), en particulièrement dans un environnement urbain et notamment lors de travaux de réhabilitation avec des riverains et du public de passage.
  
  En SST, l’utilisation du BIM assure une meilleure prévention des risques en termes d’anticipation, de communication et de pédagogie : mieux identifier les risques, mieux les traiter, mieux sensibiliser les travailleurs avec des supports didactiques interactifs performants et ainsi travailler en meilleure sécurité.
  
  En cours de construction, baliser le chantier de capteurs pour identifier instantanément sur le BIM les zones devenues dangereuses, équiper les compagnons d’objets connectés portables (casques, baudriers, vestes, gilets connectés ...) pour les géolocaliser, récupérer la position des personnes et des périls en temps réel sur le BIM, représente un véritable progrès, avec la transmission d’un signal d’alarme pour alerter les opérateurs individuellement en cas de danger imminent.
  
  Sur la maquette du BIM, on peut insérer un lien sur le Plan Particulier de Sécurité et de Protection de la Santé (PPSPS) ou il serait possible de visualiser à chaque instant en temps réel les informations de sécurité de chaque étape du chantier (mode opératoire, plan de pose spécifique...) pour être guidé sur les procédures préventives à mettre en œuvre avec une communication claire.


• La réalité augmentée et la maintenance des équipements
  
  Dans les domaines des tâches de maintenance et d’assemblage d’équipements complexes, l'utilisation de la RA permet de réduire les erreurs de réalisation dans les procédures d'intervention et, par suite, d’améliorer la sécurité : la réduction des risques provient de procédures de travail exécutées avec la plus grande exactitude, grâce à des opérateurs qui utilisent des instructions de travail augmentées et peuvent bénéficier à la demande de l'aide à distance et en temps réel d'experts ou de celle d'opérateurs plus expérimentés. La réalité augmentée est ainsi appliquée à l’aide au diagnostic dans la maintenance des équipements industriels : des experts équipés de casques peuvent aider les techniciens en visualisant leur environnement et les équipements sur lesquels ils interviennent pour leur fournir des solutions à distance en fonction du problème, en utilisant toutes les informations nécessaires grâce à une interface en réalité augmentée (documentation technique, procédures de sécurité, nomenclatures des opérations à exécuter, etc.).

Pour aller plus loin :

• OFFICIEL PREVENTION : FORMATION CONSEILS - SÉCURITÉ BTP : LE BUILDING INFORMATION MODELING (BIM) ET LA SÉCURITÉ SUR LES CHANTIERS DU BTP : https://www.officiel-prevention.com/dossier/formation/securite-btp/le-building-information-modeling-bim-et-la-securite-sur-les-chantiers-du-btp
• OFFICIEL PREVENTION : FORMATION CONSEILS - MATERIEL PÉDAGOGIQUE - LES OUTILS DE SIMULATION DES RISQUES ET DE LA SÉCURITÉ AU TRAVAIL : https://www.officiel-prevention.com/dossier/formation/materiel-pedagogique/les-outils-de-simulation-des-risques-et-de-la-securite-au-travail

Décembre 2021