Gestion autonomique de performance, d'énergie et de qualité de service. Application aux réseaux filaires, réseaux de capteurs et grilles de calcul

La motivation principale de cette thèse est de faire face à l'accroissement de la complexité des systèmes informatiques, qui, dans un futur proche ( de l'ordre de quelques années) risque fort d'être le principal frein à leur évolution et à leur développement. Aujourd'hui la tendance s'inverse et le coût de gestion humaine dépasse le coût des infrastructures matérielles et logicielles. De plus, l'administration manuelle de grands systèmes (applications distribuées, réseaux de capteurs, équipements réseaux) est non seulement lente mais aussi sujette à de nombreuses erreurs humaines. Un des domaines de recherche émergent est celui de l'informatique autonomique qui a pour but de rendre ces systèmes auto-gérés. Nous proposons une approche qui permet de décrire des politiques de gestion autonomiques de haut niveau. Ces politiques permettent au système d'assurer quatre propriétés fondamentales de l'auto-gestion: l'auto-guérison, l'auto-configuration, l'auto-protection et l'auto-optimisation. Nos contributions portent sur la spécification de diagrammes de description de politiques de gestion autonomiques appelés (S)PDD "(Sensor) Policy Description Diagrams". Ces diagrammes sont implémentés dans le gestionnaire autonomique TUNe et l'approche a été validée sur de nombreux systèmes: simulation électromagnétique répartie sur grille de calcul, réseaux de capteurs SunSPOT, répartiteur de calcul DIET. Une deuxième partie présente une modélisation mathématique de l’auto-optimisation pour un « datacenter ». Nous introduisons un problème de minimisation d’un critère intégrant d’une part la consommation électrique des équipements du réseau du « datacenter » et d’autre part la qualité de service des applications déployées sur le « datacenter ». Une heuristique permet de prendre en compte les contraintes dues aux fonctions de routage utilisées. ABSTRACT : The main challenge of this thesis is to cope with the growing complexity of IT systems. In a near future (mainly the next few years) this complexity will prevent new developments and system evolutions. Today the trend is reversing and the managing costs are overtaking the hardware and software costs. Moreover, the manual administration of large systems (distributed applications, sensor networks, and network equipment) is not only slow but error-prone. An emerging research field called autonomic computing tries to bring up self-managed systems. We introduce an approach that enable the description of high level autonomic management policies. These policies allow the system to ensure four fundamental properties for self-management: self-healing, self-self-configuring, self-protecting and self-optimizing. We specify autonomic management Policy Description Diagrams (PDD) and implement them in Toulouse University Network (TUNe). We validated our approach on many systems: electromagnetic simulations distributed on computer grids (grid’5000), wireless sensor networks with SunSPOTs and the computing scheduler DIET. A second part of this thesis presents a mathematical modeling for self-optimizing datacenters. We introduce a minimization problem with a criterion integrating both the electrical consumption of the datacenter networking equipment and the quality of service of the deployed applications. A heuristic takes into account the routing functions used on the network

Composition dynamique de services sensibles au contexte dans les systèmes intelligents ambiants

With the appearance of the paradigms of the ambient intelligence and ubiquitaire robotics, we attend the emergence of new ambient intelligent systems to create and manage environments or intelligent ecosystems in a intuitive and transparent way. These environments are intelligent spaces characterized in particular by the opening, the heterogeneousness, the uncertainty and the dynamicité of the entities which establish(constitute) them. These characteristics so lift(raise) considerable scientific challenges for the conception(design) and the implementation of an adequate intelligent system. These challenges are mainly among five: the abstraction of the representation of the heterogeneous entities, the management of the uncertainties, the reactivity in the events, the sensibility in the context and the auto-adaptationAvec l'apparition des paradigmes de l'intelligence ambiante et de la robotique ubiquitaire, on assiste à l'émergence de nouveaux systèmes intelligents ambiants visant à créer et gérer des environnements ou écosystèmes intelligents d'une façon intuitive et transparente. Ces environnements sont des espaces intelligents caractérisés notamment par l'ouverture, l'hétérogénéité, l'incertitude et la dynamicité des entités qui les constituent. Ces caractéristiques soulèvent ainsi des défis scientifiques considérables pour la conception et la mise en œuvre d'un système intelligent adéquat. Ces défis sont principalement au nombre de cinq : l'abstraction de la représentation des entités hétérogènes, la gestion des incertitudes, la réactivité aux événements, la sensibilité au contexte et l'auto-adaptation face aux changements imprévisibles qui se produisent dans l'environnement ambiant. L'approche par composition dynamique de services constitue l'une des réponses prometteuses à ces défis. Dans cette thèse, nous proposons un système intelligent capable d'effectuer une composition dynamique de services en tenant compte, d'une part, du contexte d'utilisation et des diverses fonctionnalités offertes par les services disponibles dans un environnement ambiant et d'autre part, des besoins variables exprimés par les utilisateurs. Ce système est construit suivant un modèle multicouche, adaptatif et réactif aux événements. Il repose aussi sur l'emploi d'un modèle de connaissances expressif permettant une ouverture plus large vers les différentes entités de l'environnement ambiant notamment : les dispositifs, les services, les événements, le contexte et les utilisateurs. Ce système intègre également un modèle de découverte et de classification de services afin de localiser et de préparer sémantiquement les services nécessaires à la composition de services. Cette composition est réalisée d'une façon automatique et dynamique en deux phases principales: la phase offline et la phase online. Dans la phase offline, un graphe global reliant tous les services abstraits disponibles est généré automatiquement en se basant sur des règles de décision sur les entrées et les sorties des services. Dans la phase online, des sous-graphes sont extraits automatiquement à partir du graphe global selon les tâches à réaliser qui sont déclenchées par des événements qui surviennent dans l'environnement ambiant. Les sous-graphes ainsi obtenus sont exécutés suivant un modèle de sélection et de monitoring de services pour tenir compte du contexte d'utilisation et garantir une meilleure qualité de service. Les différents modèles proposés ont été mis en œuvre et validés sur la plateforme ubiquitaire d'expérimentation du laboratoire LISSI à partir de plusieurs scénarii d'assistance et de maintien de personnes à domicil

Architectures innovantes de systèmes de commandes de vol

L'aboutissement aux Commandes de Vol Électriques (CDVE) des avions civils actuels s'est fait par étapes, après une longue maturation des différentes technologies mises en place. La prochaine étape est l'utilisation de communications intégralement numériques et d'actionneurs intelligents. Cette thèse propose de nouvelles architectures, en rupture avec l'état de l'art, avec de nouvelles répartitions des fonctions intelligentes entre l'avionique centrale (calculateurs de commandes de vols) et l'avionique déportée (électroniques locales des actionneurs) dont l'avantage est d'exiger moins de ressources par rapport aux architectures conventionnelles tout en satisfaisant les mêmes exigences de sécurité et de disponibilité ainsi que les exigences croissantes en fiabilité opérationnelle de la part des compagnies aériennes. La sûreté de fonctionnement et la robustesse des nouvelles architectures proposées ont été validées respectivement sous OCAS/Altarica et Matlab/Simulink. ABSTRACT : The current civil aircraft's electrical flight control has been changed to take benefit of technical improvements. New technologies, when mature, can be incorporated in aircrafts. Evolutions are considered towards a digital communication and intelligent actuators. This thesis is aiming at proposing alternative architectures with distribution of system functionality between flight control computers and actuators with less hardware and software resources. New architectures must meet the same safety and availability requirements with additional operational reliability (required by airlines). Dependability and robustness of new architectures have been validated trough respectively OCAS / AltaRica and Matlab / Simulin

Tolérance aux Défaillances par Capteurs Virtuels : application aux Systèmes de Régulation d'un Turboréacteur

Over the years, market pressure has ensured that engine manufacturers invest in technology to provide clean, quiet, affordable, reliable, and efficient power. One of the last improvements is the introduction of virtual sensors that make use of non-like signals (analytical redundancy). This, is expected to improve weight, flight safety and availability. However, this new approach has not been widely investigated yet and needs further attention to remove its limitations for certificated applications.The concept of virtual sensors goes along with fault tolerance control strategies that help in limiting disruptions and maintenance costs. Indeed, a fault-tolerant control (FTC) scheme, allows for a leaner hardware structure without decreasing the safety of the system.We propose in this thesis work, to monitor through a passive FTC architecture, the Variables Geometries subsystems' of the engine: the VSV (Variable Stator Vane) and FMV (Fuel Metering Valve). A strong constrains, is not to change the parameters of the existing controllers. The approach named AVG-FTC (Variable Geometries Aircraft-Fault-Tolerant Control) is based on several cascaded sub-systems that allow to deal with the Linear Parameter Varying (LPV) model of the systems and modelling errors. The proposed FTC scheme uses a neural model of the sensor associated with a Takagi-Sugeno observer and a Neuronal Extended Kalman Filter Neural (NEKF) to account for those dynamics that cannot be explained with the LPV model to produce a real-time estimate of the monitored outputs. In case of sensor abnormality, the proposed virtual sensors can then be used as an arbitrator for sensor monitoring or as a healthy sensor used by the controller. To evaluate the approach, serval closed-loop simulations, on SNECMA jet-engine simulator have been performed. The results for distinct flight scenarios with different sensors faults have shown the capabilities of the approach in terms of stability and robustness.L'industrie aéronautique évolue dans un contexte concurrentiel qui encourage les motoristes et avionneurs à réduire les coûts de production et à améliorer leurs services aux compagnies aériennes tels que la réduction des coûts d'exploitation et de maintenances des avions. Afin de relever ce défi économique, nous proposons dans cette thèse de remplacer l'architecture de régulation actuelle de certains équipements du turboréacteur, par une architecture simplifiée plus économe en capteurs et harnais en remplaçant la redondance matérielle des capteurs par une redondance analytique. Ainsi, en cas de fonctionnement anormal, les capteurs virtuels proposés pourront être utilisés pour consolider la prise de décision sur l'état du capteur par des tests de cohérence et de validation croisée et le cas échéant se substituer aux mesures.Dans ce travail de thèse, on s'est intéressé à la surveillance des systèmes de régulation de géométries variables (régulation du flux d'air en entrée et la quantité de carburant) avec comme contrainte forte la non-modification des paramètres des lois de commande existantes et le maintien de l'opérabilité du turboréacteur avec une dégradation des performances acceptables selon les spécifications du cahier des charges.Pour répondre à ces contraintes opérationnelles, une approche FTC (Fault Tolerant Control) passive est proposée. Cette approche nommée, AVG-FTC (Aircraft Variables Geometries-Fault-Tolerant Control) s'articule autour de plusieurs sous-systèmes mis en cascades. Elle tient compte du caractère instationnaire des systèmes étudiés, des différents couplages entre géométries variables et des incertitudes de modélisation. Ainsi, l'approche utilise un modèle neuronal du capteur couplé à un observateur de type Takagi-Sugeno-LPV (Linéaire à Paramètres Variant) et à un estimateur non linéaire robuste de type NEKF (Filtre de Kalman Étendu Neuronal) qui permet de produire une estimation temps réel des grandeurs surveillées. En utilisant la plateforme de prototypage et de tests du motoriste, nous avons pu évaluer l'approche AVG-FTC en simulant plusieurs scénarios de vol en présence de défaillances. Ceci a permis de montrer les performances de l'approche en termes de robustesse, de garantie de stabilité des boucles de régulations et d'opérabilité du turboréacteur. To improve the availability, a solution that aircraft manufacturers and suppliers adopt was the fault tolerance