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Visualisation Sankey : gestion de l'énergie et de la fabrication

Visualisez les flux d'informations industrielles avec les diagrammes Sankey

Figure 1. Distribution de chaleur et d'électricité sur le site d'une usine.

Sankey

Les diagrammes entrent en jeu et offrent une vision globale des informations sur lesquelles nous nous concentrons lorsque nous travaillons avec des données liées aux systèmes industriels. Sans eux, l'identification des problèmes peut devenir assez difficile. Les diagrammes de Sankey dans le secteur industriel sont utilisés pour identifier les inefficacités, visualiser le bilan énergétique et les flux de matières. Ils attirent l'attention sur les flux les plus importants du diagramme. Aujourd'hui, nous allons explorer ce schéma utile en revenant en arrière dans son historique. Ensuite nous verrons quand et comment l'appliquer à diverses situations


Un recul dans l'histoire

Comme la plupart des schémas ou formules mathématiques changent de nom ; les bilans thermiques graphiques (Minister of Fuel and Power 1944), les diagrammes de flux d'énergie (Christensen 1990) [1] étaient ce qu'on appelle aujourd'hui les diagrammes de Sankey selon l'article « The Sankey Diagram in Energy and Material Flow Management ». .


Comme indiqué dans "The Sankey Diagram in Energy and Material Flow Management.", le diagramme a été publié en 1898 [2] par l'ingénieur naval irlandais Riall Sankey et porte son nom.


L'un des diagrammes de Sankey les plus célèbres existait avant Riall Sankey, créé en 1869 par Charles Joseph Minard, un ingénieur civil français qui a couvert la carte de la campagne de Russie de Napoléon de 1812 citée dans "Mapping Time : Illustrated by Minard's Map of Napoleon's Russian Campaign of 1812 .” [3] pour visualiser les pertes de troupes tout au long de la campagne.



Figure 2. Schéma classique de Minard de l'invasion de la Russie par Napoléon.


Aujourd'hui, il est utilisé dans les systèmes de gestion des matières et de l'énergie que nous détaillerons dans certains de ses cas d'utilisation.



Application des diagrammes de Sankey


Avant de voir nos cas d'utilisation, il faut savoir préparer ces schémas. Une des étapes cruciales est de définir notre contexte industriel en visualisation de données. Un diagramme bien conçu nous indique immédiatement le message que nous souhaitons partager.


"La visualisation vous donne des réponses à des questions que vous ne saviez pas que vous aviez." —Ben Schneiderman



Identification du flux principal


Comprenons étape par étape comment fonctionnent les diagrammes de Sankey.


Figure 3. Distribution de chaleur et d'électricité sur le site d'une usine.


Prenons notre exemple illustré à la figure 3. « Distribution de chaleur et d'électricité dans un site industriel ». Tout d'abord, comme nous l'avons vu précédemment, ce diagramme représente la « circulation » du flux. Un flux pointe en fait une valeur d'un nœud vers un autre. Un processus est un flux entre deux nœuds. Un nœud est en fait un type de contexte . Dans notre exemple, nous pouvons vérifier qu'il existe un flux dirigé du Gaz naturel vers l'unité de cogénération 1. De plus, notre flux représente une quantité ou KPI (indicateur de performance clé). Dans notre cas, il s'agit de la valeur de l'énergie.


En regardant le rectangle rouge, on peut déduire que « 4,3 kWh d'énergie ont été transférés du gaz naturel vers un convertisseur de l'unité CHP 1 ».


Une chose à savoir dans les diagrammes de Sankey est que la largeur de nos flux est proportionnelle à la quantité de valeur qu'ils transfèrent. Cette caractéristique marque les flux les plus importants.


Deuxièmement, l'ensemble des barres (par exemple, l'alimentation électrique et le gaz naturel) forment des ensembles de nœuds appelés « sources ». Cela équivaut aux noms de colonne "sources" dans une feuille de calcul ou une table de base de données.


Pour en revenir à notre exemple, nous pouvons afficher notre valeur dans un processus à l'aide de tableaux de bord comme indiqué dans le rectangle rouge. Nous pouvons également afficher la valeur qui contient un élément Node avant l'arrivée ou le départ du flux.


Dans cet exemple, nous remarquons immédiatement que notre principal générateur d'énergie est le gaz naturel. Nous pouvons également observer que nos convertisseurs produisent majoritairement de la chaleur. Enfin, nous réalisons que notre système perd de l'énergie lors de la conversion de l'énergie en chaleur ou en électricité.


La clé pour interpréter les diagrammes de Sankey est d'observer les largeurs de nos flux entre les ensembles de nœuds.


Figure 4. Bilan énergétique dans un système d'air comprimé.


Dans notre deuxième exemple ci-dessus, notre système génère 5280kW d'air comprimé par jour. Ensuite, l'énergie est distribuée dans tout notre système d'air comprimé. Au premier coup d'œil, je remarque que la majeure partie de l'énergie produite est perdue. Cela peut être pertinent pour analyser l'efficacité de mon système d'air comprimé.


Ne pas se perdre

Comme on peut le deviner, chaque diagramme a son propre inconvénient. Lorsque ces inconvénients se produisent, nos diagrammes perdent en efficacité et en clarté .

Dans les diagrammes de Sankey, le nombre de nœuds diminue notre lisibilité. En d'autres termes, plus notre chaîne de processus est longue, plus nous perdons de vue les informations que nous souhaitons communiquer. De plus, ils peuvent rendre difficile la comparaison de débits avec des valeurs (largeurs) similaires. Nous devrions visualiser un flux principal distingué des autres lorsque nous utilisons des diagrammes de Sankey. Dans la Figure 5. "Ligne de production de produits , notez à quel point il nous est difficile d'identifier la ligne qui produit le plus de produits cosmétiques.


Figure 5. Ligne de production

En outre, nous devrions envisager d'utiliser un graphique à barres (empilé) pour comparer nos lignes de production.


Conclusion

Nous pouvons dire que les diagrammes de Sankey sont des diagrammes très efficaces utilisés pour visualiser les données. Ils attirent l'attention sur les flux les plus importants du système. Et ils nous fournissent également des informations sur la structure de notre système.


Références

[1] Schmidt, Mario. “The Sankey Diagram in Energy and Material Flow Management.” Journal of Industrial Ecology, vol. 12, no. 1, Feb. 2008, pp. 82–94, 10.1111/j.1530–9290.2008.00004.x.

[2] Schmidt, Mario. “The Sankey Diagram in Energy and Material Flow Management.” Journal of Industrial Ecology, vol. 12, no. 1, Feb. 2008, pp. 82–94, 10.1111/j.1530–9290.2008.00004.x.

[3] Menno-Jan Kraak. “Mapping Time : Illustrated by Minard’s Map of Napoleon’s Russian Campaign of 1812.” CiNii Books, ESRI Press, 2014, ci.nii.ac.jp/ncid/BB19280683.

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