Objectifs

De nos jours, les universités traditionnelles ou virtuelles proposent différents cours on-line basés sur des présentations multimédias. La technologie Web intégrant de l'information présentée sous forme de textes et d'images est enrichie par des séquences vidéo ou audio pour constituer des supports de cours. De tels supports sont de plus en plus nombreux. Ils complètent et enrichissent l'offre de formation traditionnelle. Ils donnent également une nouvelle dimension, voire une nouvelle orientation, au rôle des enseignants.

Lorsqu'un enseignement comprend une composante de travaux en laboratoire comme c'est le cas dans de nombreux domaines des sciences de l'ingénieur, les étudiants doivent se déplacer sur le site où se déroulent les expériences pratiques. Le concept de laboratoire à distance permet de s'affranchir non seulement de cette contrainte de lieu, mais aussi des horaires souvent rigides associés aux travaux pratiques. Cette nouvelle possibilité de réaliser des expériences de laboratoire à distance permet un apprentissage plus flexible et étend également les moyens didactiques de présentation. En effet, un enseignant peut réaliser par ce biais des démonstrations réelles en salle de cours, sans avoir à déplacer l'expérience à présenter.

Le développement d'installations de laboratoire accessibles à distance est également motivé par la nécessité de proposer un enseignement pratique à un nombre croissant d'étudiants, malgré des ressources matérielles et d'encadrement souvent limitées. Le fait de pouvoir accéder à des ressources de laboratoire à distance permet finalement de partager ces installations avec d'autres universités ou institutions de formation, contribuant ainsi à ancrer l'EPFL dans le village global du savoir.

Approche

Distancier les utilisateurs d'une infrastructure locale d'expérimentation, tout en conservant les mêmes avantages opérationnels et pédagogiques, constitue un défi certain. Non seulement un degré d'interactivité équivalent doit être fourni, mais la perception de l'environnement et de l'évolution de l'expérience doivent également être assurées. La solution choisie repose sur la mise en oeuvre d'instruments virtuels qui assurent la conduite et la supervision de l'expérience, complétés par des outils de visualisation. Pour fournir un accès ouvert au plus grand nombre d'utilisateurs possible, l'interface utilisateur est gérée par une application gratuite exécutable sur les principales plates-formes informatiques individuelles. Internet a été choisi comme support de communication.

Garantir un degré d'interactivité suffisant malgré la diversité des modes de connexion à Internet et la variation de la charge de ce réseau nécessite l'implantation de solutions avancées liées aux technologies de l'information et de la communication. Il s'agit, en particulier, de minimiser les temps de réponse pour le retour de l'image vidéo. Il est en effet inacceptable pour un utilisateur de visualiser l'effet d'une action entreprise sur une expérience en cours avec un retard de plusieurs secondes. Des tests ont d'ailleurs montré qu'après plus d'une seconde d'attente, la tendance des utilisateurs est de répéter l'action croyant qu'elle n'a pas été prise en compte. Les solutions développées diffèrent par conséquent des approches traditionnelles comme celles qui sont liées à la vidéo-conférence, où la qualité est souvent garantie par l'adjonction de buffers induisant des retards.

En plus de pouvoir sentir l'expérience de la même manière que si l'utilisateur se trouvait à côté d'elle, il est également essentiel de pouvoir la toucher. Ceci peut être réalisé en ajoutant des actuateurs qui permettent de modifier les conditions ou le mode de fonctionnement de l'installation. Dans le domaine de l'automatique pour lequel nous avons développé des expériences de laboratoire pilotables à distance, il est parfois possible d'influencer indirectement le fonctionnement de l'installation en altérant artificiellement des signaux de mesure ou de commande.

Réalisation

Les manipulations de laboratoires utilisées localement pour l'enseignement pratique de l'automatique sont déjà complètement instrumentées et pilotées par ordinateur, ceci grâce à LabVIEW et à des interfaces universelles. Par conséquent, il a été relativement aisé de les adapter pour une manipulation à distance par l'adjonction d'un module de communication et de périphériques d'acquisition d'images et de son. Une architecture client-serveur a été élaborée pour permettre du travail collaboratif (fig. 1).

	fig. 1 : architecture client-serveur

Le client est un ordinateur équipé des fonctionnalités nécessaires pour observer et agir sur la manipulation distante. L'application client est un instrument virtuel (VI) compilé pour la plate-forme choisie. L'observation est réalisée au moyen d'une fenêtre oscilloscope qui permet d'afficher des mesures et d'une image vidéo sur laquelle sont superposées des informations additionnelles pour enrichir la perception du système distant.

Le serveur est un ordinateur équipé du matériel nécessaire pour piloter l'expérience. Ceci comprend entre autres des cartes d'acquisition pour la mesure des signaux provenant des capteurs et pour la génération des commandes des actuateurs, ainsi qu'une caméra avec un microphone intégré. Le serveur reçoit les commandes en provenance du client et les transmet à l'installation. De même, il envoie au client les mesures, les images vidéo et le son.

	fig. 2: les trois modules de base pour la construction des applications client et serveur

Trois modules sont nécessaires pour construire les applications client et serveur (fig.2.): le module d'interface utilisateur (GUI), le module temps réel (RT) et le module de communication (COM). L'application utilisée pour l'expérimentation locale est séparée en deux modules (RT et GUI). À ces deux modules s'ajoute le module de communication (COM) pour former le client et le serveur. Le client est composé du module GUI et du module de communication. Le serveur comprend le module RT et le module de communication.

Le module temps réel (RT) interface le serveur avec le monde extérieur, il gère l'acquisition régulière des images vidéo ainsi que l'acquisition des différents signaux de mesures. Ce même module agit également sur les actuateurs permettant de manipuler l'installation.

Le module d'interface utilisateur (GUI) est employé par le client pour interagir à distance avec l'expérience (fig. 3). Il comprend 4 zones principales qui correspondent aux 4 flux de données. Ces flux sont: (1) le flux des données mesurées sur l'installation ou correspondant à des états internes calculés. Le flux vidéo (2) comprenant l'image vidéo à laquelle vient s'ajouter une image virtuelle basée sur les mesures pour former une image hybride appelée augmented reality. Le flux des paramètres (3) qui permet à l'utilisateur d'agir sur l'installation distante soit en modifiant des paramètres opératoires, soit en modifiant directement son comportement en appuyant sur le bouton Push. Dans cet exemple de commande d'un entraînement, ce bouton a pour effet d'ajouter un couple de freinage sur l'axe du moteur. L'établissement de la liaison avec le serveur, le respect des priorités ainsi que le mode de connexion sont gérés par le flux administratif (4).

	fig. 3: l'interface utilisateur client

Le module de communication (COM) garantit une qualité de service (QoS) optimale, c'est-à-dire la meilleure perception possible de l'installation, quelle que soit la bande passante utilisable. Ce module gère également les problèmes de sécurité tels les droits d'accès.

Gestion de la bande passante et reconstitution de paquets perdus

L'adaptation à la bande passante courante est gérée en variant le flux des données pour maintenir une QoS satisfaisante en dépit de la charge du réseau. L'estimation de la bande passante est faite par le module COM du côté client. Elle se base sur la perte des paquets. Cette information est retournée au serveur pour que celui-ci adapte le flux des paquets. Le contenu des paquets est défini en fonction des priorités assignées à chaque flux.

Lorsque la bande passante devient trop petite, le serveur peut également réaliser d'autres adaptations comme comprimer de manière plus importante les images transmises. Il peut également diminuer la résolution de l'image. Dans les cas extrêmes, le serveur peut décider de fortement diminuer le rythme d'envoi des images vidéo (fig. 4) . La perception de la dynamique est alors assurée par l'image virtuelle animée par l'intermédiaire d'un simulateur temps réel. Pour des installations complexes, l'élaboration de la représentation virtuelle nécessite de disposer d'un modèle graphique plus évolué de type VRML.

	fig. 4: augmented reality view = image vidéo + image virtuelle

L'observation à distance d'installations physiques se prête bien à l'implantation de techniques originales pour reconstituer les paquets perdus durant la transmission. Un modèle dynamique qui décrit le comportement de l'installation pilotée est en effet souvent disponible. Il est dans ce cas possible de simuler les signaux contenus dans les paquets manquants (fig. 5), plutôt que de les reconstituer avec des techniques standard. Les dernières mesures réelles disponibles sont alors utilisées comme conditions initiales par l'algorithme de simulation. Le modèle peut être fourni par le serveur ainsi que toutes modifications intervenant dans ses paramètres. Il est essentiel que l'utilisateur soit informé de la nature des signaux affichés, selon qu'ils sont réels ou simulés. Cette possibilité de simuler l'installation peut également servir dans le cas où il n'y aurait pas de connexion possible ou pour préparer une expérience.

	fig. 5: reconstruction des signaux perdus à l'aide d'une simulation temps réel

Cas concret

L'infrastructure de laboratoire à distance a été employée avec succès depuis plus de deux ans dans les cours d'automatique pour illustrer des notions importantes par des démonstrations réelles. Le logiciel client est installé sur un ordinateur portable (fig. 6). Il est connecté via Internet aux installations de laboratoire. Les étudiants suivent l'expérience conduite par l'enseignant grâce à une projection sur grand écran.

Ce même concept a permis à des étudiants de Rice University (TX) de mener plusieurs séances de laboratoire consacrées à la commande d'un pendule inversé. Ils ont dans un premier temps étudié l'installation en classe, puis conçu et simulé le système de commande. Ils ont ensuite testé et amélioré leur solution sur le système se trouvant à l'EPFL.

A ce jour, notre laboratoire offre quatre systèmes pouvant être pilotés à distance. Ils sont accessibles 24 heures sur 24, 7 jours sur7. Une page Web (http://iawww2.epfl.ch ) centralise toute l'information et les logiciels (Mac et PC) pour l'utilisation de ces manipulations.

	fig. 6: expérimentation à distance depuis une salle de cours

Conclusion

Le concept d'expérimentation à distance permet aux étudiants d'exploiter des ressources de laboratoire de manière flexible, sans se rendre sur le lieu même où se trouvent les installations. L'accès peut se faire depuis une salle d'ordinateurs du campus ou depuis le domicile. Le fait de pouvoir confronter ses idées à une expérience de laboratoire durant une phase d'apprentissage, sans attendre une séance de travaux pratiques, constitue un avantage pédagogique certain. D'un point de vue logistique, une telle possibilité de réaliser des expériences de laboratoire de n'importe où, à n'importe quel moment, permet de distribuer la charge d'exploitation et donc de limiter les infrastructures. Cette solution permet également d'éviter le déplacement de manipulations lourdes ou encombrantes dans une salle de cours pour réaliser des démonstrations. Elle permet également de partager des manipulations entre plusieurs institutions académiques à une échelle mondiale. Plusieurs initiatives ont d'ailleurs été prises dans ce sens, tant au niveau européen que sur l'axe nord-sud. Il s'agit dans ce dernier cas de faire profiter les pays émergents de ressources coûteuses auxquelles ils n'auraient autrement pas accès. Finalement, dans le contexte d'un enseignement complètement suivi à distance, il est possible, grâce à l'approche proposée, d'accéder à une formation pratique en laboratoire.

L'expérimentation à distance n'est pas limitée au domaine de l'éducation. Les entreprises demandent de plus en plus un service instantané de la part de leurs fournisseurs de composants, par exemple pour éviter des interruptions de chaînes de production. L'approche proposée peut être transposée aisément pour mettre en oeuvre des solutions de télésurveillance et de télémaintenance.

Ce projet a été supporté par le Fonds National dans le cadre du Programme Prioritaire «Structures d'information et de communication».

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© FI-sp-99 du 31 août 1999