Déploiement optimal de réseaux de capteurs dans des environnements intérieurs en support à la navigation des personnes à mobilité réduite

La participation sociale des personnes ayant une incapacité (PAI) est l'un des enjeux majeurs de notre société. La participation sociale des PAI est influencée par les résultats des interactions entre les facteurs personnels et les facteurs environnementaux (physiques et sociaux). L'une des activités quotidiennes les plus importantes en milieu urbain est la mobilité, ce qui est fondamental pour la participation sociale des PAI. L'environnement urbain est composé des infrastructures et des services principalement conçus pour les personnes sans incapacités et ne prend pas en compte les besoins spécifiques des PAI. Dans ce contexte, la conception et le développement des environnements intelligents peuvent contribuer à une meilleure mobilité et participation sociale des PAI grâce à l'avancement récent de technologie de l'information et de télécommunication ainsi que de réseaux de capteurs. Cependant, le déploiement de réseaux de capteurs en tant que technologie d'assistance pour améliorer la mobilité des personnes n'est conçu que sur la base des modèles trop simplistes de l'environnement physique. Bien que des approches de déploiement de réseaux de capteurs aient été développées ces dernières années, la plupart d'entre elles ont considéré le modèle simple des capteurs (cercle ou sphérique dans le meilleur des cas) et l'environnement 2D, (sans obstacle), indépendamment des besoins des PAI lors de leur mobilité. À cet égard, l'objectif global de cette thèse est le déploiement optimal de réseau de capteurs dans un environnement intérieur pour améliorer l'efficacité de la mobilité des personnes à mobilité réduite (PMR). Plus spécifiquement, nous sommes intéressés à la mobilité des personnes utilisatrices de fauteuil roulant manuel. Pour atteindre cet objectif global, trois objectifs spécifiques sont identifiés. Premièrement, nous proposons un cadre conceptuel pour l'évaluation de la lisibilité de l'environnement intérieur pour les PMR, afin de déterminer la méthode appropriée pour évaluer les interactions entre les facteurs personnels et les facteurs environnementaux (par exemple, pentes, rampes, marches, etc.). Deuxièmement, nous développons un algorithme d'optimisation locale basé sur la structure Voronoi 3D pour le déploiement de capteurs dans l'environnement intérieur 3D pour s'attaquer à la complexité de la structure de l'environnement intérieur (par exemple, différentes hauteurs de plafonds) afin de maximiser la couverture du réseau. Troisièmement, pour aider la mobilité des PMR, nous développons un algorithme d'optimisation ciblé pour le déploiement de capteurs multi-types dans l'environnement intérieur en tenant compte du cadre d'évaluation de la lisibilité pour les PMR. La question la plus importante de cette recherche est la suivante : quels sont les emplacements optimaux pour un ensemble des capteurs pour le positionnement et le guidage des PMR dans l'environnement intérieur complexe 3D. Pour répondre à cette question, les informations sur les caractéristiques des capteurs, les éléments environnementaux et la lisibilité des PMR ont été intégrés dans les algorithmes d'optimisation locale pour le déploiement de réseaux de capteurs multi-types, afin d'améliorer la couverture du réseau et d'aider efficacement les PMR lors de leur mobilité. Dans ce processus, le diagramme de Voronoi 3D, en tant que structure géométrique, est utilisé pour optimiser l'emplacement des capteurs en fonction des caractéristiques des capteurs, des éléments environnementaux et de la lisibilité des PMR. L'optimisation locale proposée a été mise en œuvre et testée avec plusieurs scénarios au Centre des congrès de Québec. La comparaison des résultats obtenus avec ceux des autres algorithmes démontre une plus grande efficacité de l'approche proposée dans cette recherche.Social participation of people with disabilities (PWD) is one of the challenging problems in our society. Social participation of PWD is influenced by results from the interactions between personal characteristics and the physical and social environments. One of the most significant daily activities in the urban environment is mobility which impacts on the social participation of PWD. The urban environment includes infrastructure and services are mostly designed for people without any disability and does not consider the specific needs of PWD. In this context, the design and development of intelligent environments can contribute to better mobility and social participation of PWD by leveraging the recent advancement in information and telecommunications technologies as well as sensor networks. Sensor networks, as an assistive technology for improving the mobility of people are generally designed based on the simplistic models of physical environment. Although sensor networks deployment approaches have been developed in recent years, the majority of them have considered the simple model of sensors (circle or spherical in the best case) and the environment (2D, without obstacles) regardless of the PWD needs during their mobility. In this regard, the global objective of this thesis is the determination of the position and type of sensors to enhance the efficiency of the people with motor disabilities (PWMD) mobility. We are more specifically interested in the mobility of people using manual wheelchair. To achieve this global objective, three specific objectives are demarcated. First, a framework is developed for legibility assessment of the indoor environment for PWMD to determine the appropriate method to evaluate the interactions between personal factors with environmental factors (e.g. slops, ramps, steps, etc.). Then, a local optimization algorithm based on 3D Voronoi structure for sensor deployment in the 3D indoor environment is developed to tackle the complexity of structure of indoor environment (e.g., various ceilings' height) to maximize the network coverage. Next, a purpose-oriented optimization algorithm for multi-type sensor deployment in the indoor environment to help the PWMD mobility is developed with consideration of the legibility assessment framework for PWMD. In this thesis, the most important question of this research is where the optimal places of sensors are for efficient guidance of the PWMD in their mobility in 3D complex indoor environments. To answer this question, the information of sensors characteristics, environmental elements and legibility of PWMD have been integrated into the local optimization algorithms for multi-type sensor networks deployment to enhance the network coverage as well as efficiently help the PWMD during their mobility. In this process, Voronoi diagram as a geometrical structure is used to change the sensors' location based on the sensor characteristics, environmental elements and legibility of PWMD. The proposed local optimization is implemented and tested for several scenarios in Quebec City Convention Centre. The obtained results show that these integration in our approach enhance its effectiveness compared to the existing methods

Étude d'un réseau de capteur UWB pour la localisation et la communication dans un environnement minier

Le jour n'est peut-être pas très loin où une mine pourra compter sur un système de communication sans fil pour échanger des données, transmettre des informations ou localiser des travailleurs dans le cas d'une activité normale ou en cas d'urgence. Au point de vue de la sécurité, un système de communications sans fil aurait l'avantage de localiser en temps réel un travailleur ou un engin. Les travailleurs se déplacent sans cesse dans une mine. Avec une technologie sans fil permanente, on pourrait localiser les personnes de manière relativement précise. Même en cas d'éboulement, avec une technologie adaptée, il serait possible de savoir où se trouve la personne en détresse. Notre travail de recherche s'inscrit dans la perspective du développement d'un réseau de capteurs ultra large bande (UWB) pour deux applications : l'aide à la radiolocalisation et l'extension du réseau de capteurs sans fil dans la mine. Cette étude est focalisée sur trois aspects. La première partie de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés à la radiolocalisation dans la mine. Vue l'importance de cette application, nous avons mis en oeuvre un réseau de capteurs en tenant compte d'un futur déploiement dans la mine. La technologie utilisée repose sur la technologie ultra large bande. Comme il n'existe pas de travaux qui traitent ce genre de problèmes, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal UWB dans les mines souterraines. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs campagnes de mesure sur site (mine expérimentale) ont été menées. Nous sommes parvenus à une modélisation du canal de propagation et à avancer des recommandations pour aider au dimensionnement d'un réseau de capteurs dans ce type d'environnement. Dans la première partie, le but est d'étudier le problème de radiolocalisation avec les réseaux de capteurs. Notre scénario proposé serait de placer des capteurs sur chaque agent (mineur, engin). On suppose que chaque noeud (agent) qui circule à travers un réseau d'ancre maillé (déjà déployé), va extraire des informations de distance (en utilisant le critère de temps d'arrivée), ensuite il va utiliser un algorithme de positionnement distribué afin de déterminer sa propre position. Lors de cette partie nous avons aussi étudié quelques estimateurs cohérents et non-cohérents du temps d'arrivée. La caractérisation de l'erreur de mesure utilisant le temps d'arrivée dans un environnement minier a été aussi évaluée. Enfin, dans la dernière partie, nous avons analysé par simulations un déploiement d'un réseau de capteurs UWB ad hoc dans la mine. Nous avons choisi d'adopter une approche théorique afin d'évaluer les performances de cette configuration. Une conception intercouche pour un routage optimal a été étudiée. Nous avons utilisé la couche physique/réseau afin de minimiser l'énergie consommée lors de l'acheminement du données

Réseaux ad hoc : système d'adressage et méthodes d'accessibilité aux données

RÉSUMÉ Au cours de la dernière décennie, un nouveau type de réseaux sans fil a suscité un grand intérêt dans la communauté scientifique: ce sont les réseaux ad hoc. Ils existent sous la variante des réseaux mobiles ad hoc (MANET), et des réseaux de capteurs sans fil (RCSF). Les réseaux mobiles ad hoc sont constitués de noeuds mobiles qui communiquent les uns avec les autres sans l‘aide d‘une d'infrastructure centralisée. Les noeuds se déplacent librement et sont soumis à des déconnexions fréquentes en raison de l'instabilité des liens. Cela a pour conséquence de diminuer l'accessibilité aux données, et de modifier la façon dont les données sont partagées dans le réseau. Comparable aux réseaux MANET, un RCSF est composé d'un ensemble d'unités de traitements embarquées, appelées capteurs, communiquant via des liens sans fil et dont la fonction principale est la collecte de paramètres relatifs à l'environnement qui les entoure, telles que la température, la pression, ou la présence d'objets. Les RCSF diffèrent des MANET de par le déploiement à grande échelle des noeuds, et trouvent leur application dans diverses activités de la société, tels les processus industriels, les applications militaires de surveillance, l'observation et le suivi d'habitat, etc. Lorsqu‘un grand nombre de capteurs sont déployés avec des dispositifs d'actionnement appelés acteurs, le RCSF devient un réseau de capteurs et d‘acteurs sans fil (RCASF). Dans une telle situation, les capteurs collaborent pour la détection des phénomènes physiques et rapportent les données afférentes aux acteurs qui les traitent et initient les actions appropriées. De nombreux travaux dans les RCSF supposent l'existence d'adresses et d'infrastructures de routage pour valider leurs propositions. Cependant, l‘allocation d‘adresses et le routage des données liées aux événements détectés dans ces réseaux restent des défis entiers, en particulier à cause du nombre élevé de capteurs et des ressources limitées dont ils disposent. Dans cette thèse, nous abordons le problème de l'accessibilité aux données dans les MANET, et les mécanismes d‘adressage et de routage dans les RCSF de grande taille.----------ABSTRACT During the last decade, a new type of wireless networks has stirred up great interest within the scientific community: there are ad hoc networks. They exist as mobile ad hoc networks (MANET), and wireless sensor (WSN). The mobile ad hoc networks consist of mobile nodes that communicate with each other without using a centralized infrastructure. The nodes move freely and are subject to frequent disconnections due to links instability. This has the effect of reducing data accessibility, and change the way data are shared across the network. Similar MANET networks, a WSN consists of a set of embedded processing units called sensors that communicate with each other via wireless links. Their main function is the collection of parameters relating to the environment around them, such as temperature, pressure, motion, video, etc. WSNs differ from the MANETs due to the large scale deployment of nodes, and are expected to have many applications in various fields, such as industrial processes, military surveillance, observation and monitoring of habitat, etc. When a large number of sensors which are resource-impoverished nodes are deployed with powerful actuation devices, the WSN becomes a Wireless Sensor and Actor Network (WSAN). In such a situation, the collaborative operation of sensors enables the distributed sensing of a physical phenomenon, while actors collect and process sensor data to perform appropriate action. Numerous works in WSN assumes the existence of addresses and routing infrastructure to validate their proposals. However, assigning addresses and delivering detected events remains highly challenging, specifically due to the sheer number of nodes. In this thesis, we address the problem of data accessibility in MANET, and that of addressing and routing in large scale WSN. This involves techniques such as data caching and replication to prevent the deterioration of data accessibility. The addressing system in WSN includes a distributed address allocation scheme and a routing infrastructure for both actors and sensors. Moreover, with the birth of the multimedia sensors, the traffic may be mixed with time sensitive packets and reliability-demanding packets. For that purpose, we also address the problem of providing quality of service (QoS) in the routing infrastructure for WSN

13th International Conference on Modeling, Optimization and Simulation - MOSIM 2020

Comité d’organisation: Université Internationale d’Agadir – Agadir (Maroc) Laboratoire Conception Fabrication Commande – Metz (France)Session RS-1 “Simulation et Optimisation” / “Simulation and Optimization” Session RS-2 “Planification des Besoins Matières Pilotée par la Demande” / ”Demand-Driven Material Requirements Planning” Session RS-3 “Ingénierie de Systèmes Basées sur les Modèles” / “Model-Based System Engineering” Session RS-4 “Recherche Opérationnelle en Gestion de Production” / "Operations Research in Production Management" Session RS-5 "Planification des Matières et des Ressources / Planification de la Production” / “Material and Resource Planning / Production Planning" Session RS-6 “Maintenance Industrielle” / “Industrial Maintenance” Session RS-7 "Etudes de Cas Industriels” / “Industrial Case Studies" Session RS-8 "Données de Masse / Analyse de Données” / “Big Data / Data Analytics" Session RS-9 "Gestion des Systèmes de Transport” / “Transportation System Management" Session RS-10 "Economie Circulaire / Développement Durable" / "Circular Economie / Sustainable Development" Session RS-11 "Conception et Gestion des Chaînes Logistiques” / “Supply Chain Design and Management" Session SP-1 “Intelligence Artificielle & Analyse de Données pour la Production 4.0” / “Artificial Intelligence & Data Analytics in Manufacturing 4.0” Session SP-2 “Gestion des Risques en Logistique” / “Risk Management in Logistics” Session SP-3 “Gestion des Risques et Evaluation de Performance” / “Risk Management and Performance Assessment” Session SP-4 "Indicateurs Clés de Performance 4.0 et Dynamique de Prise de Décision” / ”4.0 Key Performance Indicators and Decision-Making Dynamics" Session SP-5 "Logistique Maritime” / “Marine Logistics" Session SP-6 “Territoire et Logistique : Un Système Complexe” / “Territory and Logistics: A Complex System” Session SP-7 "Nouvelles Avancées et Applications de la Logique Floue en Production Durable et en Logistique” / “Recent Advances and Fuzzy-Logic Applications in Sustainable Manufacturing and Logistics" Session SP-8 “Gestion des Soins de Santé” / ”Health Care Management” Session SP-9 “Ingénierie Organisationnelle et Gestion de la Continuité de Service des Systèmes de Santé dans l’Ere de la Transformation Numérique de la Société” / “Organizational Engineering and Management of Business Continuity of Healthcare Systems in the Era of Numerical Society Transformation” Session SP-10 “Planification et Commande de la Production pour l’Industrie 4.0” / “Production Planning and Control for Industry 4.0” Session SP-11 “Optimisation des Systèmes de Production dans le Contexte 4.0 Utilisant l’Amélioration Continue” / “Production System Optimization in 4.0 Context Using Continuous Improvement” Session SP-12 “Défis pour la Conception des Systèmes de Production Cyber-Physiques” / “Challenges for the Design of Cyber Physical Production Systems” Session SP-13 “Production Avisée et Développement Durable” / “Smart Manufacturing and Sustainable Development” Session SP-14 “L’Humain dans l’Usine du Futur” / “Human in the Factory of the Future” Session SP-15 “Ordonnancement et Prévision de Chaînes Logistiques Résilientes” / “Scheduling and Forecasting for Resilient Supply Chains