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Soft sensors / capteurs virtuels qui connaissent votre procédé

Les soft sensors — aussi appelés capteurs virtuels — combinent la connaissance du système avec les mesures disponibles pour fournir des estimations fiables de variables difficiles à mesurer.

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Que sont les Soft Sensors / Capteurs Virtuels ?

Un soft-sensor — également appelé capteur virtuel — utilise un modèle mathématique du procédé avec des données de mesure existantes pour calculer une estimation de la variable souhaitée. Contrairement à un instrument physique, un soft-sensor ou capteur virtuel ne nécessite pas de matériel supplémentaire — il s'exécute en tant que logiciel sur les systèmes de contrôle existants.

Architecture soft-sensor : connaissance du système + mesures → algorithme d'estimation → sortie du capteur virtuel
Architecture soft-sensor / capteur virtuel — ajout de la connaissance du système aux mesures disponibles.

Problèmes industriels résolus

Mesure trop coûteuse

Problème

Les analyseurs de qualité, viscosité ou composition coûtent 50 000–500 000 € et sont partagés entre plusieurs flux — ne fournissant que des échantillons périodiques.

Solution

Un soft-sensor fournit des estimations continues entre les échantillons d'analyseur, permettant un contrôle en temps réel plus précis.

Instrumentation non installable

Problème

Les débitmètres aux emplacements de vannes, les charges thermiques dans les circuits cryogéniques ou les couples dans les entraînements scellés ne peuvent pas être instrumentés.

Solution

Un soft-sensor calcule la variable à partir de mesures corrélées déjà présentes dans le système.

Pas de mesure directe possible

Problème

Des variables telles que l'indice de fluidité du polymère, la concentration cellulaire ou l'activité du catalyseur n'ont pas de technologie de capteur en ligne en temps réel.

Solution

Un soft-sensor infère ces variables à partir de proxies mesurables en utilisant des modèles de premiers principes ou basés sur les données.

Défaillance de capteur et redondance

Problème

Les mesures critiques échouent lors du démarrage, des perturbations ou de l'encrassement. Un point de défaillance unique dans une boucle critique de sécurité est intolérable.

Solution

Un soft-sensor fusionne les mesures redondantes de plusieurs instruments pour une estimation tolérante aux pannes qui reste valide.

Précision de mesure

Problème

Deux instruments peuvent avoir des profils de précision complémentaires — l'un rapide mais bruyant, l'autre lent mais précis.

Solution

Un soft-sensor fusionne les deux signaux via la théorie de l'estimation optimale pour une estimation simultanément rapide, précise et sans dérive.

Technologie

Mesures

Les besoins exacts en capteurs sont déterminés au cas par cas. Dans la plupart des cas, l'instrumentation existante est suffisante — aucun nouveau matériel n'est nécessaire.

Modèles

Les modèles encodent la connaissance du système exploitée par le soft-sensor. La complexité varie de simples corrélations empiriques à des modèles dynamiques thermo-hydrauliques ou cinétiques complets. Nous sommes spécialisés dans la modélisation de premiers principes pour l'industrie des procédés et les applications aéronautiques.

Algorithmes d'estimation

Des observateurs linéaires (Luenberger, Filtre de Kalman) aux algorithmes non linéaires (Filtre de Kalman Étendu, Unscented, Estimation par Horizon Glissant). Le choix dépend du degré de non-linéarité, de la puissance de calcul disponible et de la précision requise.

Résultats de mes propres travaux

Applications Industrielles & Résultats de Référence Publiés

Benchmarks issus de la littérature scientifique à comité de lecture — ce que la technologie soft-sensor réalise dans des environnements industriels réels. Sources tierces, chacune avec lien.

Chimie / Polymérisation

Les indicateurs de qualité du polymère ne sont disponibles que par des analyses de laboratoire peu fréquentes et dépendent de façon non linéaire des températures du réacteur et des débits d'alimentation.

Une commande prédictive non linéaire avec un modèle de premiers principes (bilans matière avec cinétique, bilan d'énergie) régule en boucle fermée la qualité mesurée au laboratoire en fixant le profil de température des réacteurs.

Résultat clé: En production continue depuis octobre 2012.
Source: Bindlish (Dow Chemical) — Computers & Chemical Engineering (2015)
Pâtes et papiers / Tissue

Le grammage (g/m²) ne se mesure pas en temps réel dans la partie toile d'une machine à tissue — seulement en aval, trop tard pour corriger.

Modèle hybride : un modèle de premiers principes et un réseau convolutif 1D en parallèle ; un réseau GRU pondère leurs sorties selon le régime de fonctionnement.

Résultat clé: RMSE 2,12 g/m² (hybride) contre 2,68 g/m² (apprentissage automatique seul) et 4,72 g/m² (physique seule), sur 7 mois de données industrielles.
Source: Othen et al. — RWTH Aachen / Nordic Pulp & Paper Research Journal (2025)
Pétrole et gaz — Pression de fond

Les capteurs de fond permanents sont coûteux et peu fiables en conditions sévères, alors que la pression de fond est essentielle pour optimiser la production et assurer l’écoulement.

Un soft sensor LSTM entraîné sur les mesures de tête de puits et de surface ; l’apprentissage par transfert adapte le modèle à d’autres puits et conditions.

Résultat clé: MAPE constamment inférieur à 2 % sur des données offshore réelles du bassin présalifère brésilien.
Source: Fernandes et al. — arXiv (2026)
Production d’électricité — Émissions de NOx

La prédiction des NOx en temps réel est la base de l’optimisation de la combustion ; les conditions évoluent avec la charge et le combustible, et les modèles statiques se dégradent.

Apprentissage juste-à-temps avec forêt aléatoire : un modèle local par prédiction, choisi par un indice de similarité temporelle et spatiale, avec une surveillance à fenêtre glissante qui déclenche les mises à jour.

Résultat clé: R² = 0,93 sur le jeu de test ; 99,7 % des échantillons avec une erreur absolue inférieure à 15 mg/m³ — mieux que les six modèles de comparaison.
Source: He & Ding — Sensors / MDPI (2024)
Traitement des eaux usées

La DCO, les MES et E. coli exigent prélèvements et analyses de laboratoire : aucune vision en temps réel de l’épuration ; les analyseurs de DCO en ligne sont trop chers pour les installations autonomes.

Soft sensors par apprentissage automatique sur des mesures en ligne (turbidité, couleur, pH, NH₄⁺, NO₃⁻, conductivité). Quatre algorithmes comparés ; la SVR était la meilleure pour la DCO, la régression cubist pour les MES.

Résultat clé: DCO : R² = 0,96 (SVR) ; MES : R² = 0,99 (cubist) — sur 56 points de données d’une installation autonome testée sur le terrain ; E. coli n’a pas encore pu être prédit de façon fiable.
Source: Shyu et al. (Univ. South Florida) — ACS Environmental Au (2023)
Pharmacie / Technologie analytique des procédés (PAT)

Les attributs critiques de qualité des comprimés — uniformité de teneur, dissolution, dureté — sont traditionnellement mesurés hors ligne en fin de lot, ce qui empêche la libération en temps réel (RTRT).

Des soft sensors déduisent les attributs de qualité pendant la fabrication à partir d’instruments PAT en ligne (NIR, Raman, diffraction laser) et des données de procédé, dans le cadre PAT de la FDA.

Résultat clé: Revue de l’état de l’art de la libération en temps réel des comprimés ; le guide PAT de la FDA existe depuis 2004.
Source: Markl et al. — International Journal of Pharmaceutics (2020)
Semi-conducteurs / Métrologie virtuelle

Les étapes de métrologie (épaisseur de couche, profondeur de gravure, fin de CMP) sont coûteuses et rares, ce qui laisse des angles morts entre deux mesures.

La métrologie virtuelle prédit la qualité après procédé à partir de l’état de l’équipement et des variables de procédé, en utilisant des mesures réelles échantillonnées pour entraîner et corriger les modèles.

Résultat clé: Revue de deux décennies de littérature sur la métrologie virtuelle : étapes génériques, état de l’art et problèmes ouverts.
Source: Maitra et al. — Expert Systems with Applications (2024)
Automobile / Véhicules autonomes

Les niveaux d’automatisation élevés exigent plus de capteurs par véhicule — de 8 à 28 selon l’aperçu de l’article —, avec plus de coût, de poids, de consommation et de points de défaillance.

Les capteurs virtuels remplacent ou complètent les capteurs physiques et sont validés en simulation du véhicule complet ; l’estimation d’état utilise des observateurs de type Kalman et des approches hybrides d’apprentissage automatique.

Résultat clé: Marché des capteurs virtuels : 1,37 Md USD (2025) → 5,35 Md USD (2030), cité d’après Mordor Intelligence.
Source: Barabás et al. — Sensors / MDPI (2025)

Soft Sensor / Capteur Virtuel vs Instrument Physique

Une comparaison directe pour les décisions d'approvisionnement et de faisabilité.

AspectInstrument PhysiqueSoft Sensor / Capteur Virtuel
Coût initial 50 000–500 000 € par instrument Logiciel uniquement — fonctionne sur DCS/API existant
Installation Semaines à mois (génie civil, câblage) Jours à semaines (intégration du modèle)
Maintenance Arrêts d'étalonnage, encrassement Mise à jour du modèle — pas d'arrêt de processus
Couverture Un emplacement physique par appareil Toute variable atteignable par le modèle
Taux de données Périodique (analyseur : 1–2 h) ou ponctuel Continu, synchrone avec le cycle de commande
Mode de défaillance Défaillance totale — boucle ouverte Dégradation progressive — repli sur modèle seul

Développements

Advanced Virtual Flow Meter

Calcul de débit logiciel aux emplacements des vannes via position de vanne, pression et température — aucun débitmètre physique requis.

En savoir plus sur le débitmètre virtuel

Variomètre Numérique SSDV12

Capteur haute précision de taux de montée/descente pour pilotes de parapente par fusion de données de pression, inertielles et GPS.

En savoir plus sur le variomètre SSDV12

Fusion de capteurs et estimation d'état — références

Mes propres travaux pour estimer ce qui ne se mesure pas directement : publications évaluées par les pairs et projets industriels.

Publications

Projets

  • CERN, cryogénie du LHC — estimation non linéaire à horizon glissant de l'état du circuit d'hélium superfluide à partir de peu de mesures de pression et de température, en temps réel pour une NMPC à retour de sortie, testée au CERN.
  • IAV — estimation d'état non linéaire pour éoliennes de grande puissance, dans le cadre du développement de NMPC à base de modèles et économique.
  • SkySails Power — estimation d'état pour le vol automatisé de cerfs-volants d'énergie éolienne aéroportée.
  • Variomètre numérique SSDV12 — estimation du taux de montée par fusion de mesures de pression, inertielles et GPS.
  • Advanced Virtual Flow Meter — débit aux vannes estimé à partir de la position de vanne, de la pression et de la température, sans débitmètre physique.
  • Freelance — estimation d'état et fusion de capteurs pour la commande de vol de parapentes.

Liste complète des publications sur noga.es →

Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'un soft-sensor / capteur virtuel ?

Un soft-sensor est un modèle logiciel qui calcule des estimations de variables de procédé difficiles à mesurer à partir de l'instrumentation existante. Aucun nouveau matériel n'est requis — il fonctionne sur votre DCS ou API existant.

Dois-je installer de nouveaux capteurs ?

Dans la plupart des cas, non. Le soft-sensor utilise des mesures déjà disponibles dans votre système de contrôle. Les exigences exactes sont évaluées au cas par cas.

Quelle est la précision des soft-sensors ?

Pour des procédés bien instrumentés avec un bon modèle de premiers principes, des erreurs d'estimation de 1 à 5 % sont typiques. L'application cryogénique du LHC au CERN a estimé 5 états thermodynamiques à partir de 3 capteurs de pression.

Combien de temps dure un projet ?

Typiquement 4 à 12 semaines du lancement à la mise en service, selon la complexité du modèle et la disponibilité des données. Un appel de faisabilité de 30 minutes suffit pour cadrer les travaux.

Que se passe-t-il si le procédé évolue ou dérive dans le temps ?

La dérive du procédé — due à l'usure, aux changements de matières premières ou aux transitions de grade — est la principale cause de dégradation des soft-sensors. Les déploiements robustes incluent la surveillance de la santé du modèle (RMSE glissant, indicateurs de dérive), des déclencheurs de réentraînement et un retour arrière vers la version précédente. Pour les procédés à régimes changeants fréquents, des modèles adaptatifs Just-In-Time (JIT) sont préférés.

Un soft-sensor peut-il remplacer un capteur physique dans un système instrumenté de sécurité ?

Les soft-sensors sont très utiles comme canaux consultatifs, de surveillance et d'estimation redondante. Les utiliser comme seul moyen de mesure dans une fonction de sécurité (SIF) exige de démontrer des modes de défaillance déterministes, une indépendance des mesures et une conformité totale au cycle de vie sécurité selon IEC 61511. En pratique, ils complètent l'instrumentation de sécurité physique sans la remplacer.

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À propos

Soft-Sensor est une pratique d'ingénierie spécialisée dirigée par le Dr. Rafał Noga — consultant APC/MPC avec une expérience en soft-sensor et estimation d'état pour l'industrie des procédés, la cryogénie et l'aéronautique depuis 2007.

→ Conseil APC et IA industrielle: noga.es