Jumeau numérique de chantier : cycles de transport et taille de flotte
- Un jumeau numérique de chantier reproduit les cycles de transport à partir de données réelles pour tester des décisions de flotte avant de les appliquer.
- Un modèle 3D décrit la géométrie du terrain, alors que le jumeau décrit le fonctionnement de la flotte et son coût au m³.
- Le match factor compare le rythme d'arrivée des camions au rythme de chargement de la pelle ; au-delà de 1, les camions font la queue.
- Au-delà du point d'équilibre, chaque camion ajouté augmente le coût horaire sans augmenter la production, donc le coût au m³ remonte.
- Un jumeau n'est fiable qu'une fois recalé sur les temps de cycle, le ralenti et les charges mesurés sur le chantier.
Un jumeau numérique de chantier sert à tester des décisions de flotte avant de les appliquer sur le terrain : combien de camions affecter à une pelle, quelle vitesse autoriser sur la piste, faut-il couper les moteurs dans la file d'attente. Il reproduit le cycle de transport (chargement, transport, déchargement, retour) à partir des positions GPS et des données moteur réelles, puis calcule pour chaque scénario la production en m³/h et le coût en MAD/m³.
Qu'est-ce qu'un jumeau numérique de chantier, concrètement ?
La norme ISO/IEC 30173 définit le jumeau numérique comme une « représentation numérique d'une entité cible avec des connexions de données permettant la convergence entre les états physique et numérique à un rythme de synchronisation approprié » (Designing Buildings Wiki, sur l'ISO/IEC 30173). Pour un terrassier, deux idées comptent : le jumeau est alimenté par des données du chantier, et il doit rester aligné sur ce qui s'y passe réellement.
Jumeau numérique ou modèle 3D : quelle différence ?
Le même article résume la position de l'ISO : un jumeau numérique porte sur l'échange d'informations pertinentes, et sa représentation peut être graphique (un modèle 3D) ou conceptuelle (un diagramme) selon le sujet. Un modèle 3D du terrain décrit les volumes à déblayer. Un jumeau des cycles de transport décrit comment la flotte va les déplacer, à quel rythme et à quel coût.
| Critère | Modèle 3D (MNT, maquette BIM) | Jumeau numérique des cycles |
|---|---|---|
| Question traitée | Quoi construire, quels volumes | Comment et à quel rythme les déplacer |
| Données d'entrée | Levés topographiques, plans | GPS, heures moteur, ralenti, carburant, charges utiles |
| Mise à jour | À chaque nouveau levé | En continu, cycle après cycle |
| Résultats | Géométrie, cubatures | m³/h, file au chargement, utilisation de la pelle, MAD/m³ |
| Usage type | Conception, métré, contrôle du nivellement | Dimensionner la flotte, tester des consignes |
| Contrôle sur le terrain | Comparaison avec un nouveau levé | Comparaison des temps de cycle simulés et mesurés |
De quoi se compose le temps de cycle d'un camion ?
Un cycle commence quand le camion arrive en zone de chargement et se termine quand il y revient à vide. La littérature minière le décompose en huit termes (Mohtasham, Journal of Mining and Environment, 2025) :
- attente au chargement (la file) ;
- manœuvre de mise en place sous la pelle ;
- chargement ;
- trajet en charge jusqu'au point de déchargement (distance divisée par la vitesse) ;
- attente au déchargement ;
- manœuvre au déchargement ;
- déchargement ;
- retour à vide.
Les durées varient fortement d'un chantier à l'autre. Sur un terrassement urbain à Montréal suivi par GPS, un cycle type durait 33,75 min, dont 7,75 min de chargement, 10 min de transport et 8 min de retour (Alshibani, Buildings, 2018). Le transport et le retour dépendent de la longueur de piste et de la vitesse autorisée. Le chargement fixe le rythme maximal.
Qu'est-ce que le match factor camions-pelle ?
Le match factor (MF), ou facteur d'adéquation, compare le rythme d'arrivée des camions au rythme de service de l'engin de chargement. Dans la formulation reprise par Burt (thèse de doctorat, Curtin University, 2008) et attribuée à Morgan et Peterson (1968) :
MF = (nombre de camions × temps de chargement d'un camion) ÷ (nombre de pelles × temps de cycle moyen du camion hors attente)
- MF < 1 : la pelle attend les camions, le transport limite la production.
- MF = 1 : équilibre théorique, ni la pelle ni les camions n'attendent.
- MF > 1 : les camions font la queue, la pelle limite la production.
Burt apporte deux nuances utiles. Un MF de 1 correspond à la production maximale, sans être forcément le point de coût minimal. Et un MF théorique de 1,0 ne garantit pas un MF réel de 1,0, parce que les camions ont tendance à se regrouper en convoi sur la piste.
Pourquoi la production plafonne-t-elle quand on ajoute des camions ?
Voici un exemple chiffré. Les valeurs sont fictives et servent uniquement au calcul :
- une pelle, 3 min de chargement par camion, soit 20 chargements/h au maximum ;
- camions de 12 m³ par voyage, cycle de 15 min hors attente ;
- coûts horaires : pelle 900 MAD/h, camion 400 MAD/h.
4 camions. MF = 4 × 3 ÷ 15 = 0,8. La flotte fait 16 voyages/h, soit 192 m³/h. La pelle travaille 48 min sur 60 (80 %). Coût : 2 500 MAD/h, environ 13,0 MAD/m³.
5 camions. MF = 1,0. La pelle atteint 20 chargements/h, soit 240 m³/h, pour 2 900 MAD/h : environ 12,1 MAD/m³.
6 camions. MF = 1,2. La pelle charge toujours 20 camions par heure, la production reste à 240 m³/h. Le cycle s'allonge à 18 min, dont 3 min de file par camion. Le coût passe à 3 300 MAD/h, soit 13,75 MAD/m³.
Le sixième camion ajoute 400 MAD/h sans un mètre cube de plus. Ce calcul déterministe reste optimiste. Sur un vrai chantier, pannes, chargements irréguliers et convois créent des attentes même avec un MF inférieur à 1. Une étude par simulation à événements discrets (Kostyuk et al., AusIMM, 2014) montre qu'avec une variabilité même faible, la flotte qui maximise production et valeur comporte en moyenne des camions en attente à la pelle, et que cette flotte optimale grandit avec la variabilité et les arrêts non planifiés. Une analyse fondée sur la théorie des files d'attente (Kaboli et al., Journal of Mining and Environment, 2020) établit par ailleurs que la taille de flotte qui minimise le coût par unité produite minimise aussi les émissions par unité produite.
Quels scénarios tester avec un jumeau numérique ?
Le nombre de camions
On fait varier la flotte et on lit m³/h, longueur de file et MAD/m³. Le bon nombre atteint l'objectif de production au coût unitaire le plus bas, avec la variabilité mesurée sur votre chantier.
La limite de vitesse sur la piste
Supposons que la piste de l'exemple fasse 2 km. Le trajet en charge prend 4 min à 30 km/h et 6 min à 20 km/h, et il en va de même pour le retour : le cycle passe de 15 à 19 min. Avec 5 camions, le MF tombe à 5 × 3 ÷ 19 = 0,79 et la pelle se remet à attendre. Une limite plus basse, décidée pour la sécurité ou l'état de la piste, change donc le nombre de camions optimal. Le jumeau chiffre cet effet avant l'affichage de la consigne.
La coupure moteur en file d'attente
Dans l'exemple à 6 camions, la flotte cumule 20 voyages × 3 min = 60 min d'attente par heure, soit une heure-moteur de ralenti par heure de travail. Des données d'Argonne National Laboratory publiées par le Département de l'Énergie des États-Unis donnent 0,44 gal/h au ralenti pour un camion diesel moyen-lourd (U.S. DOE), environ 1,7 L/h. Caterpillar indique que la plupart des engins de construction brûlent en moyenne un gallon par heure au ralenti (For Construction Pros), environ 3,8 L/h. Sur un poste de 10 h, cela représente de 17 à 38 L de gasoil sans aucun m³ déplacé, plus les heures moteur comptées pour l'entretien. Pour aller plus loin, lisez notre article sur la réduction de la consommation de gasoil des engins.
De quelles données un jumeau numérique a-t-il besoin ?
Un jumeau crédible repose sur des mesures prises sur votre chantier :
- Positions GPS horodatées des camions et des pelles, avec des géoclôtures sur les zones de chargement et de déchargement. C'est la méthode du cas de Montréal : un point situé dans le rayon d'une zone signale un chargement ou un déchargement, le reste correspond au transport ou au retour (Alshibani, 2018).
- Données moteur au format ISO 15143-3 (AEMP) : heures de fonctionnement cumulées, heures de ralenti, carburant consommé, positions, nombre de chargements et charges utiles cumulées (documentation Proemion ISO 15143-3).
- Charges utiles réelles par voyage, quand elles existent. Dans un essai sur maquette à l'échelle 1/50, l'estimation de productivité par GPS seul affichait 6,05 % d'erreur absolue moyenne, contre 2,20 % avec des capteurs de charge, l'écart venant de l'hypothèse de camions toujours pleins (Ibrahim et Moselhi, ITcon, 2014).
- Coûts horaires réels de chaque engin, en MAD ou en CAD.
- Géométrie des pistes : distances, pentes, limites de vitesse.
GeoChantier est conçu pour recueillir une bonne partie de ces données, à partir de boîtiers GPS ou de la télématique constructeur. La plateforme est encore en développement.
Comment calibrer un jumeau sur les données du terrain ?
Le calage suit une boucle simple :
- Mesurer chaque composante du cycle sur plusieurs postes et en garder la distribution complète (minimum, médiane, maximum).
- Injecter ces distributions dans la simulation, avec la flotte et la piste du moment.
- Comparer production, temps de cycle et file d'attente simulés aux valeurs mesurées sur la même période.
- Ajuster les paramètres en écart, puis recommencer à chaque changement : nouvelle piste, nouveau front, nouvel engin.
L'étape 3 compte. Dans le cas de Montréal, l'estimation tirée des données GPS et celle d'un modèle de simulation probabiliste divergeaient de −26 % à +20 % selon la taille de flotte, entre 2 et 14 camions (Alshibani, 2018). Un modèle non recalé peut donc conduire à une mauvaise décision de flotte.
Dans GeoChantier, ce type d'analyse est prévu pour alimenter des recommandations chiffrées : réaffecter un engin, raccourcir une file au chargement, réduire le ralenti.
Où en est GeoChantier ?
GeoChantier prévoit un jumeau numérique des cycles de transport, mais il n'est pas encore disponible sur ce site. Pour suivre le programme pilote, parlez-nous de votre flotte ou écrivez-nous à contact@canalytics-group.com.
Questions fréquentes
À quoi sert un jumeau numérique sur un chantier de terrassement ?
Il sert à tester des décisions de flotte avant de les appliquer : nombre de camions par pelle, limite de vitesse sur la piste, coupure moteur en file d'attente. Alimenté par les positions GPS et les données moteur, il simule les cycles de transport et donne pour chaque scénario la production en m³/h, la file au chargement, l'utilisation de la pelle et le coût en MAD/m³.
Quelle est la différence entre un jumeau numérique et un modèle 3D ?
Un modèle 3D décrit une géométrie : terrain naturel, projet, volumes à déblayer. Un jumeau numérique est relié à des données du chantier qui le maintiennent aligné sur la réalité, selon la définition de l'ISO/IEC 30173. Pour le transport de terre, il reproduit les cycles des camions et des pelles et en calcule la production et le coût.
Comment calculer le nombre de camions nécessaires pour une pelle ?
Utilisez le match factor : nombre de camions multiplié par le temps de chargement d'un camion, divisé par le nombre de pelles multiplié par le temps de cycle du camion hors attente. Une valeur de 1 correspond à l'équilibre théorique. En pratique, pannes et regroupements de camions déplacent l'optimum, d'où l'intérêt d'une simulation recalée sur vos mesures.
Quelles données faut-il pour construire un jumeau numérique de flotte ?
Il faut des positions GPS horodatées des engins, des géoclôtures sur les zones de chargement et de déchargement, les données moteur (heures de fonctionnement, heures de ralenti, carburant consommé), idéalement la charge utile par voyage, la géométrie des pistes et le coût horaire réel de chaque engin. La norme ISO 15143-3 standardise une grande partie des données télématiques.
Comment vérifier qu'un jumeau numérique est fiable ?
En comparant ses résultats aux mesures du terrain sur la même période : temps de cycle par composante, production en m³/h et longueur de file. Les paramètres sont ajustés jusqu'à ce que les écarts deviennent acceptables, puis le calage est repris à chaque changement important, comme une nouvelle piste, un nouveau front de taille ou un nouvel engin.
Sources
- An Optimisation Approach to Materials Handling in Surface Mines (C. N. Burt, thèse de doctorat, Curtin University, 2008)
- Development of a Match Factor for Optimizing Haulage Fleet Efficiency in Open-Pit Mining Operations (Journal of Mining and Environment, 2025)
- Is Truck Queuing Productive? (Kostyuk et al., AusIMM, 2014)
- Optimal Earthmoving Fleet Size for Minimising Emissions and Cost (Journal of Mining and Environment, 2020)
- The ISO answer to what is a digital twin (Designing Buildings Wiki, ISO/IEC 30173)
- ISO-15143-3 (AEMP) documentation (Proemion)
- Automation of Measuring Actual Productivity of Earthwork in Urban Area, a Case Study from Montreal (Buildings, 2018)
- Automated productivity assessment of earthmoving operations (ITcon, 2014)
- Fuel Consumption at Idle for Selected Gasoline and Diesel Vehicles (U.S. Department of Energy)
- Caterpillar: save a gallon an hour on the jobsite by reducing idle time (For Construction Pros)
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