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Limiter les contaminations grâce à la surveillance de la qualité de l’air intérieur : avec Kerlink et Microshare

 

classroom indoor air quality

L’industrie s’associe à l’université dans le cadre de la prestigieuse Faculté de Médecine de Paris pour montrer comment les gestionnaires de bâtiments peuvent contrôler la propagation des virus.

« Les études de terrain portant sur la COVID-19 ont mis en évidence le lien entre la mauvaise qualité de l’air et la hausse des contaminations et montrent clairement qu’une solution basée sur l’IoT peut dorénavant aider les gestionnaires de bâtiments à limiter la propagation de virus tels que celui de la COVID-19. » – Pr Bertrand Maury, Université Paris-Saclay  

 

Microshare Kerlink
> Siège : Philadelphie, États-Unis
> Année de fondation : 2013
> Secteur d’activité : solutions de gestion des données Smart Building, IoT
> Siège : Thorigné-Fouillard, France
> Année de fondation : 2004
> Secteur d’activité : fournisseur mondial de solutions dédiées à l’Internet des Objets
Projet : Faculté de Médecine — Hôpital Bicêtre AP-HP (Assistance Publique-Hôpitaux de Paris)
Année de fondation : 1885
Secteurs d’activité : Médecine, santé, enseignement supérieur

 

 

Challenge

Une étude[1] publiée en 2018 par l’agence américaine de protection de l’environnement (EPA) a mis en évidence que l’air intérieur est 100 fois plus contaminé que l’air extérieur et que les populations actuelles passent au moins 80 % de leur temps à l’intérieur. Cette même étude a démontré que, contrairement à la pollution atmosphérique, les polluants de l’air intérieur sont environ 1 000 fois plus susceptibles d’être inhalés et donc transmis aux poumons, ainsi provoquant des maladies.

Une étude britannique de 2018[2] pour le British Council for Offices (BSO) rapporte que l’exécution des tâches basées sur la concentration et l’attention est directement affectée par les conditions environnementales intérieures telles que la température, l’humidité relative et la concentration de CO2. Elle a également démontré qu’un contrôle fin des températures et un monitoring adéquat des niveaux de CO2 peuvent directement réduire le niveau de stress du personnel, des clients, des visiteurs ou des locataires ainsi qu’améliorer leur productivité et leur niveau de satisfaction. Cette étude fait écho aux résultats d’une recherche menée en 2012 qui évaluait les effets directs d’une augmentation des concentrations de CO2 dans l’air intérieur sur la prise de décision.[3]

La pandémie de COVID-19 a du reste attiré l’attention des scientifiques sur le rôle central joué par la gestion de la qualité de l’air dans les bâtiments en tant que facteur clé dans la lutte contre la propagation des virus. Cependant, on manque encore d’éléments concrets d’évaluation, de mesure et de modélisation permettant de démontrer et d’étayer ces théories ainsi que de définir les actions appropriées qui en découlent. C’est dans ce contexte qu’intervient l’Internet des objets (IoT).

 

Genèse du projet

Le programme pilote de l’hôpital Bicêtre AP-HP visait à contrôler la propagation de la COVID-19 en suivant de manière anonyme les étudiants, le corps enseignant et le personnel pendant leurs activités quotidiennes dans l’établissement.

Dès le départ, il s’est concentré sur la définition de modèles épidémiologiques de transmission du virus de la COVID-19 par l’observation anonyme de chaînes de propagation (recherche des contacts) liées à des contacts prolongés dans des environnements fermés, tels que des lieux publics, des salles de classe ou des lieux de travail. En combinant la technologie IoT standard et les équipements de Kerlink, Microshare et Enless Wireless avec de nouveaux modèles mathématiques simulant la propagation de la COVID-19, une équipe spécialement consacrée au projet a conçu et installé un système pilote dans la Faculté de Médecine fin 2021. Outre les entreprises impliquées, l’équipe du projet comprenait des membres du personnel de la Faculté de Médecine et des scientifiques de diverses organisations axées sur la technologie.

Près de 200 étudiants ainsi qu’une vingtaine d’employés volontaires portant des badges Bluetooth pendant leurs cours, leurs travaux pratiques et leur service à la Faculté de Médecine ont participé à l’essai de trois mois au quatrième trimestre 2021. Le système a monitoré de manière anonyme leurs allées et venues et leurs localisations à l’aide de modèles mathématiques dédiés développés par deux scientifiques de l’Université Paris-Saclay, les professeurs Bertrand Maury et Sylvain Faure, ainsi qu’au moyen du monitoring continu de la qualité de l’air dans l’établissement. Ces modèles ont simulé la propagation du virus de la COVID-19 dans la population étudiante en se basant sur des matrices de recherche des contacts.

Le projet a été financé par l’Université Paris-Saclay pour un montant de 12 000 € en frais administratifs et a reçu le soutien du vice-doyen de la faculté, le Dr Olivier Lambotte, ainsi que celui de deux médecins, les Drs Florent Besson et Nicolas Noel, de la Faculté de Médecine Paris-Saclay (site de l’hôpital Bicêtre AP-HP). Les résultats ont été validés par l’unité de recherche clinique de la Faculté de Médecine Paris-Saclay et les matrices enrichies de recherche des contacts ont été inspirées par un algorithme développé au CNRS. La protection des données privées et de l’identité des participants au projet pilote était entièrement conforme au RGPD.

Le monitoring de la qualité de l’air et l’analyse du CO2 dans l’enceinte de l’établissement ont été effectués en parallèle afin d’évaluer leur incidence dans les chaînes de transmission.

 

Chronologie et mise en œuvre de la solution

Afin de collecter des données sur le terrain, le système s’est appuyé sur la technologie développée par Kerlink, spécialiste des solutions dédiées à l’IoT, Microshare, fournisseur de solutions de pointe dans la gestion des données pour l’ère de l’IoT, et Enless Wireless, fabricant majeur de capteurs intelligents autoalimentés, communiquant par ondes radio et dédiés aux applications d’efficacité énergétique et de confort dans les bâtiments. Ce projet pilote a fourni des informations clés pour la recherche des contacts (niveau 1) et l’analyse de la concentration en CO2 (niveau 2). Les données collectées sont ensuite venues alimenter un modèle mathématique (niveau 3) pour analyser les fréquences de contact et la propagation du virus en relation avec la concentration ambiante de CO2.

Niveau 1 — recherche des contacts

Le système compatible LoRaWAN utilisait Wanesy™ Wave de Kerlink, une ancre de suivi multitechnologies combinant Wi-Fi, BLE et LoRaWAN®, pour collecter les données de recherche des contacts à partir de badges Bluetooth. Il comprenait également une passerelle intérieure Wirnet™ iFemtoCell de Kerlink pour transmettre les données à l’application Universal Contact Tracing® (UCT) de Microshare, qui garantit de bout en bout la sécurité, la confidentialité et la fiabilité en livrant seulement les informations essentielles requises.

Cordon, balise et badges UCT portés par les étudiants – Microshare© 2022

 

Les données produites étaient conformes au RGPD et furent livrées le moment voulu par le biais du moteur de règles et de partage en instance de brevet de Microshare, et ce uniquement aux personnes appropriées, désignées à cette fin dans l’organisation.

« La solution Universal Contact Tracing de Microshare est conçue pour la sécurité des occupants ainsi que l’accès universel et se base sur des objets connectés portables, ce qui permet de combler les failles et problèmes de confidentialité caractéristiques du smartphone. Tout en suivant de manière anonyme les contacts entre occupants d’un établissement au moyen de badges, de bracelets et de porte-clés, elle évite la vulnérabilité de l’approche par smartphone, dont les données peuvent être désactivées, les batteries se décharger, ou dont l’utilisation est partagée entre des personnes qui travaillent à des horaires différents. Elle repose également sur des passerelles LoRaWAN® distinctes des réseaux privés, ainsi évitant les graves problèmes de sécurité associés au Wi-Fi ou aux données mobiles. » –Charles Paumelle, chef de produit et cofondateur de Microshare

 

Niveau 2 — monitoring du CO2

Enless Wireless a contribué au projet pilote en fournissant des capteurs de qualité de l’air intérieur faciles à installer, à connecter et comprenant des capteurs de CO2 intégrés ainsi que des piles haute capacité de type D.

L’application de recherche des contacts dans les bâtiments a donc été couplée à un monitoring de la qualité de l’air qui incluait :

  • les niveaux de CO2 dans les locaux en fonction des taux et heures d’occupation ainsi que les réglages de la ventilation,
  • les dysfonctionnements de la ventilation ou la maintenance nécessaire des équipements de ventilation, et
  • le taux de renouvellement horaire (TRH), ou renouvellement complet de l’air dans une pièce, qui est un indicateur clé de performance (ICP) suivi par les gestionnaires de bâtiments dans leurs opérations quotidiennes.
Capteur LoRaWAN® de CO2, COV, température et humidité d’ambiance
TX CO2 VOC T&H Amb 600-023Enless Wireless© 2022

 

Niveau 3 — algorithme et modèle scientifique

Les modèles mathématiques initiaux utilisés dans le système pilote ont été élaborés à partir de données internes issues d’une expérience UCT au siège rennais de Kerlink, où les employés avaient été équipés de badges Microshare UCT pendant huit mois en 2020, au plus fort de la pandémie.

Les matrices enrichies de recherche des contacts ont ensuite été tirées d’un algorithme développé par le CNRS et l’Université Paris-Saclay, où les professeurs Bertrand Maury et Sylvain Faure ont créé les algorithmes qui définissent les modèles épidémiologiques de transmission des virus. Grâce au système déployé, cet algorithme a également pu intégrer une première évaluation et corrélation de l’influence de la concentration de CO2 comme indicateur d’une mauvaise qualité de l’air pouvant accélérer la transmission virale, par exemple un niveau de CO2 indiquant un renouvellement insuffisant de l’air intérieur.

Principales conclusions

La qualité de l’air a été contrôlée toutes les heures ainsi que le niveau de CO2 dans les locaux en fonction du taux d’occupation, de l’horaire et des périodes de ventilation. Les mesures obtenues ont également permis de détecter les dysfonctionnements de la ventilation, de suggérer l’entretien des équipements concernés et de mettre en évidence les comportements des participants et/ou les endroits où le risque de contamination était accru. Il a donc été possible de définir une approche pédagogique et d’aider le personnel de la Faculté de Médecine à planifier l’utilisation des amphithéâtres ainsi qu’à transmettre des pratiques saines aux occupants.

Exemple de matrice de contact : chaque individu est représenté par une bulle dotée d’un identifiant (garantissant la confidentialité et la conformité au RGPD). Les lignes illustrent les contacts directs entre individus (temps passé dans la même pièce). Plus une ligne est épaisse, plus le contact (fréquence et/ou temps passé) entre les deux individus a été important.
Source : B. Maury, S. Faure — Université Paris-Saclay© 2022

 

Un taux lent de renouvellement de l’air induit une présence élevée d’aérosols et, potentiellement, de particules virales.

Le niveau de concentration de CO2 dans un espace fermé peut être utilisé pour surveiller le taux de renouvellement de l’air et signaler le risque d’une exposition accrue aux particules virales en suspension dans l’air. Une ventilation régulière est donc essentielle, notamment en ouvrant les fenêtres ou en programmant un taux de renouvellement horaire (TRH) optimal.

Le Pr Lambotte, vice-doyen de la Faculté de Médecine Paris-Saclay, a déclaré que l’analyse de la transmission du virus de la COVID-19 et la volonté de développer un outil « d’alerte amélioré » basé sur des modèles épidémiologiques ont été les déclencheurs de ce projet, et que les objectifs ont pu être atteints grâce au monitoring de la qualité de l’air reposant sur l’analyse du niveau de CO2.

« Après ces premiers résultats, la Faculté de Médecine pourra affiner ses dispositifs de lutte contre la propagation des épidémies grâce à une meilleure connaissance des interactions entre étudiants et grâce à une meilleure maîtrise de la qualité de l’air. La modélisation mathématique du renouvellement de l’air dans une salle de classe ou un amphithéâtre permet d’estimer à l’avance le nombre maximal de personnes pouvant être présentes en vue de maintenir le taux de CO2 inférieur à un seuil fixé. »Pr Olivier Lambotte, Vice-doyen de la Faculté de Médecine Paris-Saclay

 

« L’essai a montré que ces solutions peuvent aider les gestionnaires de bâtiments à améliorer la qualité de l’air des espaces de travail afin de limiter les risques de contamination ou de transmission virale, lesquels peuvent avoir un impact sur le bien-être, la concentration et les performances des occupants. En outre, ce système, qui utilise nos dispositifs de monitoring de la qualité de l’air intérieur autoalimentés 100 % plug and play, peut s’avérer être une solution abordable pour les hôpitaux, les maisons de retraite, les universités, les écoles et les bâtiments publics. »Caroline Javelle, Responsable Marketing et Communication chez Enless Wireless

 

« En plus d’aider les médecins et les scientifiques à décrire et à comprendre les modèles de transmission de la COVID-19, l’essai a démontré que les solutions LoRaWAN® pour la gestion de la qualité de l’air intérieur, composées de balises individuelles autonomes à suivi de contact, de capteurs de CO2 connectés, d’applications et d’algorithmes d’IA, constituent un système fiable, rentable et facile à déployer comme à utiliser pour le monitoring de la qualité de l’air dans les bâtiments. » Benjamin Maury, responsable des partenariats internationaux chez Kerlink

 


Lectures complémentaires (en anglais)

« Managing Air Quality – Air Pollutant Types » US Environmental Protection Agency
https://www.epa.gov/air-quality-management-process/managing-air-quality-air-pollutant-types

« Improving Productivity in the Workplace » British Council for Offices
https://emcoruk.com/workplace_productivity.pdf

 

[1] Voir « Lectures complémentaires »

[2] Voir « Lectures complémentaires »

[3] « Is CO2 an Indoor Pollutant? Direct Effects of Low-to-Moderate CO2 Concentrations on Human Decision-Making Performance », Usha Satish, Mark J. Mendell, Krishnamurthy Shekhar, Toshifumi Hotchi, Douglas Sullivan, Siegfried Streufert, et William J. Fisk, in Environmental Health Perspectives, volume 120 — numéro 12, décembre 2012, pages 1674-1677.

 

*Rédaction : Kerlink

 

 

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