Pollution accidentelle et gestion de crise de distribution d'eau en milieu urbain: vers une simulation multi-agents

De tous temps l'homme a eu besoin de s'approvisionner en eau pour ses besoins domestiques ou industriels. Les concentrations de population et d'activités dans les villes rendent actuellement ce besoin encore plus pressant. La dynamique de développement des villes tend à aggraver, renforcer cet état de fait en accentuant la demande. Les besoins se font de plus en plus variés, usages domestiques et usages industriels nécessitent des réponses adaptées et surtout constantes.

L'approvisionnement en eau des citadins et des entreprises s'avère être un point de convergence entre plusieurs domaines qui ont chacun une influence non négligeable sur l'ensemble:

Líapplication porte sur le cas de Strasbourg, dont líalimentation en eau est pourvue par la nappe phréatique rhénane et la distribution assurée par les services de la ville de Strasbourg. Plusieurs sites de pompages existent sur le territoire urbain ayant chacun des spécificités propres liés aux fonctionnalités des quartiers (industriels, résidentiels, mixtes), à líancienneté du site, au caractéristiques du réseau technique installé.

Cependant pour faciliter la compréhension du problème, une partie seulement du champs captant a été sélectionné (captage de la Robertsau au nord de Strasbourg). L'événement perturbateur a été choisi en fonction de sa fréquence maximale en terme d'accident, en effet pour pouvoir simuler une atteinte à la qualité de líeau, plusieurs choix étaient envisageables : une infiltration de produits toxique dans la nappe, un accident de type rupture de canalisation, un déversement accidentel ou intentionnel de substances polluantes. Le plus probable a été retenu, il s'agit du renversement d'un camion transportant des hydrocarbures. Ce polluant est en fait un des plus courants et des plus facilement décelables. La modélisation de l'accident et de l'infiltration s'est faite en fonction du parcours obligatoire pour ce genre de transport (route obligatoire de transport de matières dangereuses). La simulation de la propagation est le fruit d'une collaboration avec l'Institut de Mécanique des Fluides de Strasbourg. La modélisation et la simulation de la gestion de líévénement a été élaboré à l'aide d'un système multi-agents constitue l'objet de la collaboration avec Neuchâtel.

Gérer la crise nécessite tout à la fois de la concertation et des prises de décision. La difficulté réside dans la compréhension du déroulement du schéma et l'identification de dysfonctionnements possibles pouvant survenir soit du fait d'une imprécision des rôles de chacun, soit du fait d'une circonscription lâche des compétences de chacun lors de la crise, soit du fait de la durée prise par telle ou telle action entraînant une décision ou encore d'un mélange du genre. Par la capacité à définir des agents "intelligents" c'est-à-dire cognitifs, sensés échanger avec d'autres et réagir à des sollicitations provenant d'autres agents ou de leur environnement, les SMA offrent une plate-forme idéale pour simuler une telle situation.

La plate-forme SMA développée Neuchâtel doit obéir à un certain nombre d'exigences:

• être capable de représenter explicitement les différents systèmes ou organisations qui interagissent dans le problème. Il faut donc pouvoir décrire:
• les organisations concernées en termes de rôles et de relations entre rôles ainsi que les interactions qui leur sont liées. Par exemple, nous aurons une organisation pour chacun des systèmes hydrologiques, de consommation, de distribution, de contrôle, de gestion de la crise avec les différents acteurs sociaux concernés (gendarmerie, etc.). Ce niveau de description s'inspire des travaux de Durand [Durand 1996] et Gutknecht et Ferber [1998])
• les coordinations entre les fonctionnements des différentes organisations;
• et l'attribution de rôles aux différents acteurs (agents) intervenant dans le déroulement et la gestion de la crise.
• la prise en compte de la temporalité des événements. Cette contrainte nous empêche d'utiliser les noyaux d'exécution de SMA habituels mais il nous faut dès lors nous reposer sur un échéancier tel qu'ils sont utilisés pour la simulation par événements discrets. Les messages entre les agents du système devront être datés pour prendre en compte le déroulement temporel.
• dans une étape ultérieure, la connexion à un SIG pour spatialiser la simulation et prendre en compte les données disponibles sur la structure spatiale du réseau de distribution et les données de la simulation de l'écoulement des polluants.

Pour modéliser les schémas díorganisation en présence, leurs interactions et leur instantiation dans des institutions existantes, nous proposons de valider líapproche proposée par Durand [Durand 1996] dans laquelle on peut distinguer trois niveaux de description :

• Les schémas díorganisation ;
• Les types díagents ;
• Les agents concrets.

Nous allons décrire ces niveaux successivement.

Le niveau des schémas díorganisation propose de représenter différents points de vue sur le système global à modéliser, dans notre cas l'hydro-socio-système. Chaque schéma d'organisation est constitué díun certain nombre de rôles et des relations entre ces rôles. Le problème principal consiste à caractériser ce qui définit un schéma d'organisation et de là quels critères permettent de déterminer si un rôle fait partie ou non díun schéma donné. Nous avons choisi díappliquer les critères suivants :

• Un schéma díorganisation est définit par la fonction globale quíil réalise. En général, il síagira díune fonction de maintenance (et donc, fondamentalement, de régulation) de quelque chose, que ce soit la distribution d'eau (ou maintien de la quantité), le maintien de sa qualité, le maintien du respect des règlements et lois, etc.
• Un schéma d'organisation doit préexister aux phénomènes particuliers dont on cherche à comprendre le déroulement. Il ne correspond donc pas à une fonction ou une étape de la réalisation díun scénario transitoire mais peut en être le support au moins partiel.

Certes, ces critères sont essentiellement heuristiques mais ils permettent de proposer une méthodologie que nous illustrerons dans une prochaine section.

Un rôle est également identifiable par une fonction relativement à la finalité du schéma dont il participe comme le fait díeffectuer des prélèvements dans le schéma de surveillance de la qualité de líeau. Ce rôle est essentiellement líidentification par le modélisateur díun " schéma " de comportement stéréotypé dans les circonstances habituelles du fonctionnement du schéma díorganisation. Il se caractérise par un certain nombre de " comportements " qui peuvent être proactifs (comme le fait díeffectuer des prélèvements à intervalle régulier) ou réactifs (comme le fait díeffectuer des prélèvements à la demande díun analyste). Il faut noter que ces rôles sont indépendants des agents qui peuvent les assumer. Ils constituent donc une catégorisation des comportements observés par le modélisateur. Ces rôles peuvent ou non être institutionnalisés en tant que tels (comme président, employeur, employé, etc.).

Un rôle ne peut, en général, se concevoir quíen relation avec díautres rôles (comme vendeur vis-à-vis díacheteur). Une relation est donc líabstraction qui identifie une interaction comportementale stable entre deux rôles. On peut considérer que tout comportement díun rôle vis-à-vis díun autre fait exister de fait une relation entre ces rôles (par exemple, la relation díéchange entre acheteur et vendeur). On distingue :

• Les relations intra-schémas qui constituent la structure des rôles díun schéma díorganisation ;
• Les relations inter-schémas qui décrivent les interactions entre schémas, en général de partage díinformations.

Un agent ne joue pas quíun rôle mais plusieurs selon les différents schémas díorganisation desquels il participe. Les combinaisons de rôles usuels sont regroupés dans une description de type díagent. Par exemple un agent distributeur díeau va devoir à la fois extraire, raccorder et distribuer. Il faut noter que les types díagents définis dépendent de la granularité de la modélisation. Ainsi une société en tant que telle va regrouper les rôles ci-dessus alors que ces rôles vont être assumés par plusieurs types díagents si on síintéresse à líorganisation interne de líentreprise.

Les relations entre rôles vont se retrouver naturellement comme relations entre types díagents ou comme lien de dépendance entre les rôles díun même agent. Les relations inter-agents vont nécessiter des moyens de communications alors que les relations intra-agents (ou dépendances) vont assurer la cohérence comportementale entre les différents rôles joués par un seul agent sans médiation particulière.

Pour la simulation proprement dite, il faudra finalement instantier le modèle en créant les agents effectifs des différents types, jouant donc les différents rôles au seing des schémas díorganisation spécifiés. Les relations entre les différents types díagent síinstantieront dans des liens díaccointances. En SMA, on appelle accointance díun agent líensemble des agents qui sont connus de lui, cíest-à-dire des agents avec lesquels il peut communiquer.

La modélisation que nous présentons ici síintéresse plus particulièrement aux aspects décisionnels et informationnels de líhydro-socio-système dans le cadre díune atteinte à la qualité de líeau distribuée. La description que nous allons en faire recouvre la structuration du modèle SMA en schémas díorganisation, types díagents et agents concrets.

Nous avons distingué sept schémas díorganisation :

• La distribution de líeau qui est en charge díassurer la quantité auprès de líusager,
• La surveillance de la qualité qui est en charge díassurer la qualité de líeau en exerçant la surveillance soit sur la ressource naturelle (nappe phréatique) soit à líapprovisionnement,
• Le schéma juridico-légal qui est charge díassurer le respect des lois et réglementations,
• La cellule de crise qui est en charge díassurer le retour au fonctionnement normal et ne síactive quíà la demande du schéma de surveillance de la qualité,
• La relation aux usagers qui assure líinformation aux usagers,
• La distribution spécifique qui assure líapprovisionnement díeau par díautre canaux, tel que les minéraliers et líarmée (camions citernes) ;
• Líhydro-système qui assure la circulation de la ressource naturelle.
• Relativement à nos critères de choix de schémas díorganisation, chacun des schémas proposés a une fonction de régulation bien définie et préexiste à la situation de crise. La cellule de crise pourrait apparaître comme un cas particulier mais ce níest pas le cas puisquíelle existe institutionnellement. Elle est simplement activée en cas de crise pour réaliser le processus décisionnel qui assure le retour à la normale. Les différents schémas et leur rôle sont illustrés dans la figure 1. Nous allons en détailler les différents rôles :
• Schéma de distribution de líeau :
• Pompage est líactivité de prélèvement sur les ressources díeau comme, par exemple, la nappe phréatique ;
• Raccordement est líactivité de prélèvement de líeau sur une autre structure de distribution ;
• Coupure est líactivité de coupure díarrivée díeau sur certains secteurs en fonction de travaux ou mesure de prévention en cas de crise ;
• Líapprovisionnement est líactivité qui assure la livraison de la quantité voulue aux usagers ;
• La remise en état des ouvrages.
• Schéma de surveillance de la qualité :
• Prélèvement est líactivité de collecte díéchantillon qui peut se faire à intervalle régulier ou sur demande de líanalyste. Cette activité est intensifiée en cas de crise ;
• Analyste est líactivité de mesure de la qualité de líeau. Cette activité peut être à líorigine du déclenchement de líalarme (mais ce níest pas la seule source).
• Schéma juridico-légal :
• Líenquêteur a pour charge de recueillir tous les renseignements suite à un incidents et relativement à la réglementation à faire respecter : périmètres de sécurité, normes de transport des substances dangereuses, etc. .
• Le pénal va utiliser les informations fournies par líenquêteur pour décider des conséquences judiciaires et ceci indépendamment de la gestion de la crise proprement dite ;
• Le constat est líactivité qui permet díétablir líoccurrence díun incident. Cíest líune des sources possible díalarme ;
• La réglementation est líactivité díétablissement et de surveillance des réglementations de protection des eaux ;
• La régulation des causes qui prend les mesures auprès des organismes concernés (paysans, camionneurs, industriels, etc.) pour faire respecter ou rétablir le respect des règlements.
• Cellule de crise :
• Líévaluateur a pour charge de recueillir toutes les informations nécessaires à la cellule de crise pour prendre les décisions, notamment il émet des avis ;
• Le planificateur propose des plans díactions pour assurer le retour à la normale, effectuer le suivi et palier au déficits éventuels (distribution alternative díeaux) ;
• Le décideur exploite les résultats des évaluations pour décider des stratégies à adopter et également pour décider líactivation et la désactivation de la cellule de crise ;
• Schéma de relation aux usagers :
• La facturation níest mentionnée quíà titre illustratif mais níintervient pas dans le processus de gestion de crise ;
• Líinformation a pour rôle de diffuser les informations pertinentes aux usagers et sert de canal pour diffuser les informations en cas de coupure ou de mesures sanitaires à prendre.
• Schéma de distribution spécifique :
• Le distributeur a pour rôle díamener líeau sur des lieux déterminés, que ce soit de líeau minérale en bouteille et des camions citernes.
• Schéma de líhydro-système :
• Le transport díeau est la seule activité identifiée dans ce contexte. Appliquée à un événement de déversement de polluant, il va en effectuer la propagation.

Nous avons identifié cinq types díagents (voir figure 2) :

• Líenquêteur : personne chargée d'enquêter sur le lieu de la perturbation. Il détermine le type d'atteinte, la cause éventuellement , il peut être amener à faire un constat (accident, installations défectueuses) voire à pénaliser.
• Le laboratoire díanalyse : organisme à qui incombe les analyses habituelles pour les autorités sanitaires et éventuellement celles particulières liées à une perturbation.
• Le surveillant : Organismes chargés díassurer la mise en place et l'application des réglementations liées à líeau (préservation de la qualité : site et normes).
• Le distributeur díeau : société ou service urbain assurant líapprovisionnement en eau. Il est garant de la qualité et de la quantité fournie, il est chargé d'établir un plan díintervention en cas de crise.
• Líautorité : Elle prend des décisions après avis des organismes de surveillance, pour initier et démobiliser la cellule de crise, et entérine le choix des stratégies díintervention et déclenche les opérations. Elle est secondée par les autorités locales (maires, représentants de syndicats des eaux)

La figure 2 indique les rôles joués par ces différents agents.

Les agents concrets sont complètement dépendants du cas considérés qui est ici un déversement díhydrocarbures mettant en danger le puit de captage de la Robertsau dans la communauté urbaine de Strasbourg. Nous ne citerons pas ici le nom des représentants de líEtat et de la commune concernée mais en ce qui concerne les autres types díagent nous avons :

• Comme enquêteurs : gendarmeries, police des eaux, police, agents de la DRIR, de la DDASS, de la DARFÖ
• Comme laboratoires díanalyse : le laboratoire díanalyse régional habilité par la DDASSÖ
• Comme distributeurs díeau : les services de la ville de Strasbourg agissant pour la Communauté urbaine, les distributeurs díeau minérale si besoin est.
• Comme surveillant du dispositif : les services de la DDASS, Police des eaux (DDAF et/ou DRIR, Navigation, DDE, chacun agissant selonleurs compétences.

Líobjet de cette modélisation est bien entendu de mieux cerner le fonctionnement et líorganisation de líhydro-socio-système, censé assurer líalimentation en eau potable en milieu urbain. In fine cette étude tend à proposer des supports décisionnels pour la gestion de situations critiques, dans le cas de perturbation de la ressource en eau. Parmi ces supports, les Systèmes díinformation géographique (SIG) semblent tout indiqués par leurs fonctions intégratrices díinformations multi-sources. Les capacités de structuration et de restitution de tels systèmes sont des atouts indéniables pour une gestion performante de líapprovisionnement en eau potable par les distributeurs, et un élément essentiel des flux informationnels en jeu entre plusieurs partenaires (services de distribution, de santé publique, de police des eaux, du BRGM Ö). Líindividualisation de tels flux informationnels est díautant plus importante lorsquíils doivent alimenter une situation critique nécessitant précision, réactivité et suivi temporel. Le parti díintroduire une modélisation de cette structure par les SMA repose sur la complexité de ce système en temps normal mais aussi, en période critique. La présence de nombreux éléments décisionnels conduit à síinterroger plus particulièrement sur la dynamique de líhydro-socio-système par rapport à une situation ayant une temporalité unique pour tous les composants, celle liée à la propagation de la substance polluante vers le lieu de captage. Ceci revient à restreindre à la fois dynamiquement et temporellement la modélisation SMA, selon une situation donnée, qui pourrait cependant faire líobjet díun développement plus vaste.

Le SMA est actuellement en cours d'implantation à líIIUN. Simultanément la formalisation de description de la structure des organisations et de leur dynamique doit encore être complétée par les données recueillies sur l'étude de cas. Il s'agit d'une part de formaliser le comportement de l'hydro-socio-système et d'autre part d'étudier les documents décrivant les procédures de gestion de crise afin d'y identifier les comportements spécifiques liés aux différents rôles des acteurs sur le terrain et leurs interactions. Il faudra dans une étape ultérieure valuer les temporalités des différentes actions prises ainsi que leur sensibilité aux circonstances de déroulement. L'objectif est ainsi d'offrir un outil qui permette de mieux comprendre le fonctionnement des organismes concernés en cas de crise et de valider les procédures mises en place relativement à la temporalité du phénomène principal, à savoir la propagation des polluants.

En plus de ces travaux se pose la question de líextension de la formalisation proposée par Durand et de la démarche modélisatrice elle-même. En effet, les schémas díorganisation ainsi que líattribution des rôles aux agents est fixée au départ. Cela ne pose pas de problème dans notre cas díétude puisque le problème posé est relatif à la temporalité des événements et du processus décisionnel et non pas à la dynamique des organisations. Il est clair que dans díautre cas, le problème de líattribution dynamique des rôle voire de líémergence spontanée de schémas díorganisation en réponse aux événements, peut se poser. Aalaadin [Gutnecht & Ferber 1998] répond déjà au premier problème mais pas au second puisque les schémas díorganisation sont spécifiées à líavance. Un modèle SMA plus flexible est donc indispensable dans une perspective plus générale. En ce qui concerne la méthodologie de modélisation díun problème donné sur la base de la formalisation proposée, on peut envisager diverses démarches qui vont de la démarche descendante qui fixe les schémas díorganisation et utilise les observations et documents de terrain pour remplir les détails à une démarche purement ascendante qui va identifier les rôle, relations et schémas en partant de líanalyse des scénarios. Líapproche dépendra des connaissances a priori du domaine. Il reste la question de cerner plus précisément ce qui peut être considéré comme un schéma díorganisation, un rôle, une relation, etc. et si il est nécessaire díintroduire díautres notions.

Durand B., 1996, Simulation multi-agents et épidémiologie opérationnelle. Etude díépizootie de fièvre aphteuse. Université de Caen. UFR de Science. Thèse spécialité Informatique. 372 p.

Ferron C., 1998, Líeau et la ville. Nature, origine et mode de régulation des pollutions accidentelles des eaux destinées à la consommation humaine. Exemple de la Communauté Urbaine de Strasbourg. Université Louis Pasteur. UFR de Géographie. Thèse. Soutenance novembre 1998.

et si il est nécessaire díintroduire díautres notions.

Gutknecht O. & Ferber J., Aalaadin : a meta-model for the analysis and design of organizations in multi-agent systems, ICMASí98, Paris, 1998