Projets 2A - DISC

Projets 2A - DISC
Emmanuel Zenou
[[email protected]]
2015 - 2016
Résumé
Le département DISC est découpé en trois axes de recherche :
— ROMA : Recherche Opérationnelle et Mathématiques Appliquées (resp. :
Denis Matignon)
— ResCom : Réseaux-Communication (resp. : Jérôme Lacan)
— IpSC : Ingénierie pour les Systèmes Critiques (resp. : Pierre Siron)
Pour contacter les personnes (sauf indication contraire) :
— ISAE : [[email protected]]
— ONERA : [[email protected]]
Table des matières
1 Recherche Opérationnelle et Mathématiques Appliquées
3
1.1 Étude de la stabilisabilité des équations de Navier-Stokes incompressibles 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2 High Frequency Trading et Krach Boursier . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3 Information et marché et finance d’entreprise . . . . . . . . . . . . .
3
1.4 Asteroid Dynamic Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.5 Déconvolution algébrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.6 Détection d’exoplanètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.7 Modèles d’épidémies sur réseaux et stratégies de vaccination . . . . .
4
1.8 Caractérisation statistique de vecteurs singuliers . . . . . . . . . . .
4
1.9 Modèles d’optimisation pour la planification d’activités industrielles.
5
1.10 Modèles d’optimisation pour la planification de la production d’électricité. 5
1.11 Applications en optimisation combinatoire et apprentissage automatique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.12 L’impédance dans tous ses états : étude théorique et numérique sur
les ondes et les poutres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.13 Hardy spaces of holomorphic functions and applications . . . . . . .
6
1.14 L’optimisation des lignes d’assemblage d’avions . . . . . . . . . . . .
6
1.15 Développement d’un module de simulation numérique ”Volumes Finis” du ballottement de liquide dans un réservoir en mouvement . .
7
1.16 Optimisation de systèmes de particules pour l’estimation de probabilités d’évènements rares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.17 Génération de plans d’expériences (DOE) gérant les points de calcul
”infaisables” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.18 Génération d’un plan d’expérience admissible vis-a-vis les contraintes.
8
1.19 Adaptation de CMA-ES pour gérer les contraintes relaxables via une
méthode de filtre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.20 Stratégie d’optimisation adaptative par enrichissement. . . . . . . . .
9
1.21 Optimisation multi-disciplinaire pour la conception avant-projet d’un
avion d’affaires supersonique (SSBJ) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.22 Méthode rapide pour le calcul de la diffraction d’une onde . . . . . .
9
1.23 Modélisation du contrôle d’écoulements par plasma . . . . . . . . . .
9
1
2
E. Zenou
2 Réseaux et Communications
10
2.1 Développement d’un Cloud Over The Top . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Implémentation d’un simulateur réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Développement d’une file d’attente via l’API Traffic Control GNU/Linux 11
2.4 Implémentation / optimisation et mesures d’un protocole de synchronisation d’horloges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Consolidation d’un outil de certification des réseaux embarqués . . . 12
2.6 Collecte de données sur Android . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7 Démonstration de DTN avec Android, Bluetooth et Wi-Fi . . . . . . 12
2.8 Localisation relative en formation par une approche collaborative . . 13
2.9 Caractérisation d’équipements pour une localisation relative en formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.10 Porting of communication tools to drone systems . . . . . . . . . . . 13
2.11 Construction de matrices creuses pour des systèmes de stockage de
données distribués efficaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.12 Spécification, conception et développement d’applications Android
pour l’Hôpital des Enfants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Ingénierie pour les Systèmes Critiques
3.1 SPARK by Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Simulation hybride intégrant un processeur temps réel pour les lois
de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Conception et maquettage d’un outil de supervision pour la simulation de systèmes embarqué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Analyse de différents scénarios pour une simulation distribuée avec
des instances dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Information diffusion in Space Collision Alarm Systems : case study
specification and visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Synthetic benchmarks for embedded processors . . . . . . . . . . . .
3.7 Influence-Based Opinion Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
14
15
15
16
16
16
17
PIR du dpt DISC
1
1.1
3
Recherche Opérationnelle et Mathématiques Appliquées
Étude de la stabilisabilité des équations de Navier-Stokes
incompressibles 2D
Ghislain Haine (ISAE)
Dans de nombreuses applications, on est souvent amené à devoir contrôler ou stabiliser l’état d’un système. En dimension finie, cela conduit à une branche active
de l’automatique. Lorsque l’on souhaite contrôler ou stabiliser un système physique
régit par une équation aux dérivées partielles (EDP), cela conduit à des systèmes
de dimension infinie. De nombreuses méthodes et résultats existent lorsque l’EDP
est linéaire. Dans le cas non-linéaire, comme les équations de Navier-Stokes incompressibles (qui, grossièrement, régissent le mouvement des liquides), les stratégies
mises en œuvre par les automaticiens en dimension finie ne sont plus directement
transposables. Une étude poussée du système linéarisé autour de l’état d’équilibre
vers lequel on souhaite stabiliser le système est alors une idée naturelle, qui conduit
à de bons résultats. Le but de ce projet est de comprendre et restituer les résultats
de l’article : Raymond, J. (2012). Feedback boundary stabilization of the two dimensional navier-stokes equations. SIAM Journal on Control and Optimization, 45(3),
790–828.
1.2
High Frequency Trading et Krach Boursier
Laurent Germain (ISAE), Hervé Boco (TBS)
Les marches financiers ont évolué et une grande partie du trading est haute fréquence.
Ceci peut entraı̂ner des mini-krachs boursiers. L’objet de ce projet est de proposer
un modèle de ce trading et de ces krachs. Il faudra utiliser des modèles probabilistes
et des modèles d’optimisation afin de tenir compte de ces aspects des mathématiques
financières.
1.3
Information et marché et finance d’entreprise
Laurent Germain (ISAE), Clément Lyon-Caen (TBS)
Les cours incorporent l’information sur les marchés à des vitesses plus ou moins
rapides. L’objet de ce projet est de mesurer les informations sur les marchés dans
certains secteurs de l’économie afin d’appréhender la notion d’efficience des marchés.
Nous utiliserons des modèles statistiques et économétriques pointus.
1.4
Asteroid Dynamic Estimation
Emmanuel Zenou (ISAE), Youssef Diouane (ISAE)
La détermination de la dynamique d’un objet (axe de rotation, vitesse de rotation)
et de la forme 3D de l’objet à partir d’images monochromes est une problématique
actuelle dont les algorithmes restent à définir et étudier afin, à terme, d’envisager
d’embarquer ces algorithmes sur des sondes spatiales et pouvoir ainsi donner une
autonomie à la sonde pour atterrir sur l’astéroı̈de observé.
4
1.5
E. Zenou
Déconvolution algébrique
Emmanuel Zenou (ISAE)
Dans le cadre du traitement du signal et de l’image, la décovolution est une étape
essentielle pour restaurer des images, notamment en astronomie. La convolution
étant la modélisation de différents phénomènes optiques le long d’une ligne de visée
(atmosphère, optique. . .), l’image lue sur le récepteur (I) est issue de la convolution de l’image originale (Ior ) par un noyau (H) auquel s’ajoutes différents bruits :
I = Ior ∗H +b. L’objectif est donc de remonter à l’image originale à partir de l’image
convoluée et bruitée. Une approche originale consisterait à appréhender le problème
sous forme algébrique. Cette approche a été validée en 1D, mais l’algorithme doit
être déterminée pour les images en dimension 2.
1.6
Détection d’exoplanètes
Emmanuel Zenou (ISAE)
La détection d’exoplanètes est maintenant à la portée d’astronomes amateurs grace
à des télescopes relativement accessibles et des systèmes de mesures adaptés. Une
des méthodes couramment utilisées est la méthode des transit, qui consiste à regarder la (faible) variation d’intensité due au passage de la planète devant l’étoile.
Une des particularités des exoplanètes est que, contrairement à notre système solaire, l’excentricité des planètes est assez prononcée. L’objectif de ce projet est de
déterminer cet excentricité à partir des courbes d’intensité de lumière.
1.7
Modèles d’épidémies sur réseaux et stratégies de vaccination
Florian Simatos (ISAE), Bertrand Georgeot (CNRS, LPT)
Les réseaux complexes sont de plus en plus nombreux autour de nous. Ce concept
et les outils développés autour de lui sont en particulier cruciaux pour étudier la
propagation des épidémies, qu’elles soient biologiques ou informatiques. Le projet
s’attachera à comprendre et implémenter des modèles de propagation d’épidémie
sur différents types de réseaux, en particulier des modèles récents d’épidémies à plusieurs étapes. Dans un second temps, on essaiera de proposer et tester des stratégies
de vaccination, en particulier en se fondant sur l’algorithme de PageRank pour
hiérarchiser les noeuds d’un réseau, qui a été à la base de la fortune de Google. Le
projet comportera des parties analytiques et numériques.
1.8
Caractérisation statistique de vecteurs singuliers
Florian Simatos (ISAE), Olivier Besson (ISAE)
On considère le modèle de signal bruité suivant : Y = X + N où X, Y et N sont
des matrices de taille d × T ayant l’interprétation suivante :
— X est le signal : la colonne i représente l’observation faite au temps i, il y a
dont T observations faites, chaque observation étant un vecteur de dimension
d;
— N est le bruit : il s’agit d’une matrice dont les entrées sont i.i.d. et suivent
une loi normale ;
— Y est le signal mesuré.
Lorsque n et/ou T est grand, il s’agit d’un problème en grande dimension. Dans ce
cas, les données vivent en pratique très souvent dans un espace de petite dimension,
ce qui se traduit techniquement par le fait que la matrice X est de rang faible.
PIR du dpt DISC
5
L’information du signal est alors contenue dans les vecteurs singuliers associés aux
plus grandes valeurs singulières de X.
Puisque l’on n’observe que Y , la question est donc de savoir comment retrouver
les vecteurs singuliers de X à partir de ceux de Y . Un résultat théorique fondamental assure que l’angle entre ces deux vecteurs converge vers une constante lorsque
la dimension du problème augmente : ainsi, le vrai vecteur singulier se situe asymptotiquement dans un cône centré autour du vecteur singulier observé. Le but de ce
projet est de comprendre le second ordre de ce comportement asymptotique : quelle
est la distribution des vecteurs singuliers de Y autour de cette constante ?
Dans ce projet, l’étudiant se familiarisera avec la théorie des matrices aléatoires,
qui est actuellement un des sujets de recherche les plus actifs en probabilités, mais
aussi à la théorie du signal et à la théorie des tests statistiques.
1.9
Modèles d’optimisation pour la planification d’activités
industrielles.
Alain Haı̈t (ISAE), Pierre-Antoine Morin (Capgemini)
1.10
Modèles d’optimisation pour la planification de la production d’électricité.
Alain Haı̈t (ISAE), Pierre-Antoine Morin (Capgemini), Emmanuel Rachelson (ISAE)
1.11
Applications en optimisation combinatoire et apprentissage automatique.
Emmanuel Rachelson (ISAE), Alain Haı̈t (ISAE).
De nombreux problèmes à fort enjeu industriel sont des problèmes d’optimisation
combinatoire récurrents, c’est-à-dire dont il faut résoudre plusieurs instances successives qui sont des variantes d’un même problème de base. Par exemple, l’affectation
personnels/vols des compagnies aériennes pour un jour donné, la planification de
la production d’électricité, le ré-ordonnancement de prises de vues satellitaires sont
des problèmes à forte combinatoire, où le problème du jour J et celui du jour J+1
peuvent être vus comme des variantes d’un même problème initial, et où trouver une
solution optimale est important en termes de coût final. Souvent, il est également
crucial d’obtenir une solution rapidement à ces problèmes difficiles, menant ainsi à
un compromis coût / temps de calcul. Une approche développée récemment consiste
à utiliser l’expérience de résolutions passées pour guider la résolution du problème
présent. Pour cela, un cadre théorique et des outils informatiques d’optimisation
(linéaire en nombres entiers) et d’apprentissage automatique (fondés sur l’Extreme
Bayes Learning) ont été construits. L’objectif de ce projet 2A est d’utiliser ces outils
afin d’évaluer empiriquement la pertinence et l’efficacité de cette approche sur une
grande variété de problèmes, puis d’en tirer les enseignements afin de faire des propositions pour améliorer le couplage optimisation / apprentissage et les méthodes
actuelles (et mettre en oeuvre ces propositions).
6
1.12
E. Zenou
L’impédance dans tous ses états : étude théorique et
numérique sur les ondes et les poutres
Denis Matignon (ISAE)
La notion d’impédance apparaı̂t partout en ingénierie : le but de ce PIR est de mieux
la comprendre tant sur le plan théorique que numérique. L’équation des ondes acoustiques, scalaire et monodimensionnelle, est bien connue, et sa résolution est aisée
lorsque les conditions aux limites sont de type Neumann ou Dirichlet, les modes
de vibration étant de type sinus ou cosinus. Mais lorsqu’apparaı̂t une impédance Z
constante non idéale (en bout de corde ou de tube), les choses changent : la base
Hilbertienne des modes propres se déforme en une base de Riesz, et un amortissement apparaı̂t naturellement, du fait de ce changement des conditions à la frontière
du domaine. Sur ce modèle élémentaire, on mènera tous les calculs en continu et
en discret (méthode des différences finies). Plusieurs généralisations seront ensuite
abordées : étude de la poutre d’Euler-Bernoulli, scalaire et monodimensionnelle,
mais où l’impédance devient une matrice 2 × 2 ; équation des ondes acoustiques
avec une impédance terminale fonction de la fréquence (on distinguera le cas passebas du cas passe-haut, avec un ou plusieurs pôles) ; étude de l’équation des ondes
scalaire en deux dimensions d’espace, sur une section carrée ou circulaire.
Dans chaque cas, on s’intéressera aux propriétés du modèle continu et on mettra
en oeuvre une méthode numérique permettant d’illustrer l’effet de l’impédance : le
projet sera orienté mathématiques appliquées, mais sur une base minimale de physique et d’automatique. Les notions de passivité et de dissipativité seront centrales,
la notion d’adaptation d’impédance pourra aussi être abordée.
Notamment : Numerical Sound Synthesis : Finite Difference Schemes and Simulation in Musical Acoustics, S. Bilbao, Wiley, 2009 ; et aussi quelques articles de
revues internationales, en acoustique, automatique ou mathématiques appliquées.
1.13
Hardy spaces of holomorphic functions and applications
Denis Matignon (ISAE)
Les espaces H 2 , H ∞ sont des espaces de Hilbert ou de Banach de fonctions holomorphes dans le disque unité complexe, ou dans le demi-plan droit. Ces espaces
interviennent de façon essentielle en automatique et traitement du signal, pour
preuve, il existe une toolbox Matlab intitulée Hinfinity toolbox. L’objet de ce PIR
est d’étudier ces espaces fonctionnels en détails, de caractériser en particulier toutes
les fractions rationnelles qui y appartiennent et, si le temps le permet, de détailler les
principes d’approximation d’une fonction par une fraction rationnelle : cela permet
concrètement de réduire les solutions d’une EDP en ses composantes principales
sous forme d’EDO d’ordre prescrit, de passer de la dimension infinie à la dimension finie. Notamment : An introduction to Hilbert spaces, Young, Cambridge Univ.
Press, 1988. Aussi Linear Operator Theory in Engineering and Science, Naylor &
Sell, Springer Verlag, 2000.
1.14
L’optimisation des lignes d’assemblage d’avions
Olga Battaı̈a (ISAE), Alain Haı̈t (ISAE)
La montée en cadence dans le secteur aéronautique oriente cette industrie vers la
production en série. Peut-on alors emprunter les méthodes utilisées dans le secteur automobile pour optimiser les lignes d’assemblage d’avions ? Le projet consiste
à faire un état de l’art en analysant les différences entre l’équilibrage de lignes
d’assemblage dans le domaine d’automobile où pléthore d’approches existent et
PIR du dpt DISC
7
lignes d’assemblage d’avions pour lesquelles ce type d’approche est plutôt rare.
Le(s) réalisateur(s) du projet seront invité(s) à un workshop international sur Assembly Line Balancing Problem et pourront en discuter avec des spécialistes des 2
domaines. Si un modèle d’optimisation et une approche de résolution peuvent être
proposés à l’issue du projet, une étude de cas ainsi qu’une publication scientifique
pourront être envisagées.
1.15
Développement d’un module de simulation numérique
”Volumes Finis” du ballottement de liquide dans un
réservoir en mouvement
Michel Salaün (ISAE), Flavio Ribeiro (ISAE)
Les équations de Saint-Venant permettent de modéliser la hauteur et la vitesse d’un
fluide incompressible en mouvement (par exemple l’eau s’écoulant dans une canalisation ou le mouvement de l’eau dans un réservoir). Pour résoudre numériquement
ce type d’équations, habituellement, on utilise un schéma ”Volumes Finis” (une
introduction à ce type de schéma est faite lors du cours d’Analyse Numérique des
Equations aux Dérivées Partielles MA201).
Concernant plus précisément ce problème, une étude détaillée théorique et numérique
a été faite en dimension 1 d’espace : on suppose que la vitesse et la hauteur du fluide
sont invariantes sur une section du domaine où l’écoulement est étudié, ce qui se
justifie bien si la longueur du domaine est très grande devant sa section. L’objectif
de ce PIR est d’étendre le schéma à le dimension 2 en espace, et de comparer les
résultats obtenus avec ceux obtenus avec le code 1D. D’autre part, ce travail s’inscrit
dans le cadre d’une thèse actuellement en cours au DISC/DCAS sur le ballottement
de liquide dans un réservoir en mouvement, pour lequel des études expérimentales
ont été faites. L’idée serait donc également de comparer les résultats numériques
obtenus avec les résultats expérimentaux.
Cf. http ://flavioluiz.github.io/port-hamiltonian/
1.16
Optimisation de systèmes de particules pour l’estimation de probabilités d’évènements rares
Florian Simatos (ISAE), Jérôme Monod (ONERA)
De nombreux problèmes à fort enjeu industriel sont des problèmes d’optimisation
combinatoire récurrents, c’est-à-dire dont il faut résoudre plusieurs instances successives qui sont des variantes d’un même problème de base. Par exemple, l’affectation
personnels/vols des compagnies aériennes pour un jour donné, la planification de
la production d’électricité, le ré-ordonnancement de prises de vues satellitaires sont
des problèmes à forte combinatoire, où le problème du jour J et celui du jour J+1
peuvent être vus comme des variantes d’un même problème initial, et où trouver une
solution optimale est important en termes de coût final. Souvent, il est également
crucial d’obtenir une solution rapidement à ces problèmes difficiles, menant ainsi à
un compromis coût / temps de calcul. Une approche développée récemment consiste
à utiliser l’expérience de résolutions passées pour guider la résolution du problème
présent. Pour cela, un cadre théorique et des outils informatiques d’optimisation
(linéaire en nombres entiers) et d’apprentissage automatique (fondés sur l’Extreme
Bayes Learning) ont été construits. L’objectif de ce projet 2A est d’utiliser ces outils
afin d’évaluer empiriquement la pertinence et l’efficacité de cette approche sur une
grande variété de problèmes, puis d’en tirer les enseignements afin de faire des propositions pour améliorer le couplage optimisation / apprentissage et les méthodes
8
E. Zenou
actuelles (et mettre en oeuvre ces propositions).
1.17
Génération de plans d’expériences (DOE) gérant les
points de calcul ”infaisables”
Youssef Diouane (ISAE), Thierry Lefebvre (ONERA), Nathalie Bartoli
(ONERA)
Lors de la construction d’un DOE ou lors de phases d’enrichissement de ce DOE
(dans le cadre d’une optimisation), il peut arriver que le code (ou processus) de
calcul appelé renvoie une sortie non exploitable (”NaN”) ou ”plante” pendant
l’exécution. En effet, certains jeux de paramètres proposés par le plan d’expériences
ne vont par être dans le domaine de calcul du code à évaluer : ainsi même si les
paramètres, pris indépendamment les uns des autres vérifient les intervalles de variation, l’ensemble ne fournit pas forcément un jeu de paramètres cohérent pour le code
de calcul. Le but est de minimiser le plus possible l’appel au code (ou processus)
de calcul dans des zones dites ”infaisables” Deux types de stratégies peuvent être
envisagés pour définir au mieux les points du plan d’expérience Une stratégie adaptative qui s’appuie sur une classification des points (faisable/non faisable) par des
techniques d’apprentissage supervisé Une stratégie d’ordre de lancement des calculs
pour évaluer les points de calcul en définissant des régions de confiance adaptatives
Une fois le plan d’expérience initial construit, celui-ci est en général enrichi lors
de la phase d’optimisation et la problématique reste identique pour s’assurer de la
faisabilité des nouveaux points à évaluer.
1.18
Génération d’un plan d’expérience admissible vis-a-vis
les contraintes.
Youssef Diouane (ISAE), Joseph Morlier (ISAE), Thierry Lefebvre (ONERA),
Nathalie Bartoli (ONERA)
Le présent projet a pour vocation de se focaliser sur des problèmes d’optimisation
numérique avec contraintes. Il s’agit de donner des techniques fournissant un plan
d’expériences admissible vis-à-vis des contraintes (c’est-à-dire un ensemble de points
admissibles). On traitera tout d’abord le cas des contraintes linéaires en utilisant
des techniques basées sur la génération d’ellipsoı̈de de volume maximal (délimité
par le polygone des contraintes). Une deuxième étape de ce projet consistera donc
à trouver une généralisation pour traiter les contraintes non-linéaires.
1.19
Adaptation de CMA-ES pour gérer les contraintes relaxables via une méthode de filtre.
Youssef Diouane (ISAE), Joseph Morlier (ISAE), Thierry Lefebvre (ONERA),
Nathalie Bartoli (ONERA)
Le présent projet a pour vocation de modifier une stratégie d’évolution, dite CMAES, afin de traiter des problèmes d’optimisation sous contraintes relaxables (c’est-àdire des contraintes pouvant être relâchées ou resserrées, et qui peuvent être violées
en cours de l’optimisation, pour autant qu’elles soient respectées à la solution finale). On voudrait gérer ces contraintes avec une méthode de filtre. En effet, ce type
de gestion des contraintes permet l’exploration de points non admissibles en cours
de l’optimisation afin de raffiner la recherche d’optimum. La méthode repose sur
un sous problème bi-objectif, minimisant à la fois la fonction objectif du problème
PIR du dpt DISC
9
principal ainsi qu’une fonction de mesure de violation des contraintes.
1.20
Stratégie d’optimisation adaptative par enrichissement.
Thierry Lefebvre (ONERA), Nathalie Bartoli (ONERA)
— bibliographie sur la méthode EGO (Efficient Global Optimization)
— coder la stratégie dans l’environnement Python OpenMDAO
— tester différents optimiseurs (à partir de librairies Python)
— déterministes et stochastiques (PSO, CMAES,...)
— avec ou sans contraintes
— comparaison des cas test académiques
1.21
Optimisation multi-disciplinaire pour la conception avantprojet d’un avion d’affaires supersonique (SSBJ)
Thierry Lefebvre (ONERA), Nathalie Bartoli (ONERA)
1. bibliographie pour comprendre le vocabulaire et les différentes variantes des
formulations multi-disciplinaires.
2. La deuxième étape consiste à implémenter le cas test SSBJ au sein de la plateforme openMDAO en décrivant les différents modules disciplinaires par des
modules Python (à partir de modules existants)
3. La troisième étape concerne la mise en place des formulations MDO.
4. La dernière étape concerne l’exploitation des résultats avec la comparaison
des différentes formulations MDO évaluées.
1.22
Méthode rapide pour le calcul de la diffraction d’une
onde
Marc Bakry (ONERA), Sébastien Pernet (ONERA)
Il existe de nombreuses méthodes pour la résolution des problèmes de diffraction
d’onde. On s’intéresse plus particulièrement aux méthodes basées sur les équations
intégrales. Dans leur forme ”naı̈ve”, elles offrent une plus grande précision au
détriment d’un coût de calcul qui peut devenir prohibitif quand la taille du problème
augmente. En effet, les matrices ‘a inverser sont systématiquement pleines ce qui
rend leur stockage, comme leur manipulation compliqués. Heureusement, dans le
cadre d’inversions avec des méthodes itératives, des algorithmes dits ”rapides” sont
apparus. Le plus connu est probablement la Fast Multipole Method1. Elle présente
la meilleure efficacité mais est compliquée a‘ mettre en œuvre. Au début de l’année
2015, F. Alouges et M. Aussal introduisent2 l’algorithme ”Sparse Cardinal Sine Decomposition”. Quoique légèrement moins efficace que la FMM, il semble être bien
plus simple d’utilisation. On se propose donc de tenter de la mettre en place pour
un cas typique de problème de propagation d’onde.
1.23
Modélisation du contrôle d’écoulements par plasma
F. Rogier (ONERA), G. Dufour (ONERA)
Le contrôle d’écoulements par plasma est une nouvelle approche pour l’amélioration
des performances des aéronefs, leur stabilité et leur contrôle. Il offre des avantages
importants par rapport aux systèmes mécaniques traditionnels (ailerons, aspiration
10
E. Zenou
dans la couche limite,...) car ils peuvent être activés sur des échelles de temps très
courtes et agir directement sur des zones d’intérêt de l’écoulement sans interaction
avec la structure de l’aéronef. Une grande partie des développements réalisés jusqu’à aujourd’hui concerne le développement d’actionneurs plasma peu énergétiques,
comme les Décharges à Barrière Diélectrique. La simulation numérique des plasmas
est particulièrement coûteuse en termes de temps calcul en raison de la multiplicité
des échelles à intégrer. Or, dans le cas des Décharges à Barrière Diélectrique, ces
phénomènes sont encore plus importants en raison de la fréquence du dispositif qui
peut être jusqu’à 8 ordres de grandeur plus petite que les fréquences caractéristiques
du plasma. Ces dernières années, une méthode nouvelle, dite méthode patch, a été
proposée et appliquée avec succès à certains problèmes comme l’élasticité linéaire.
Cette méthode permet de tenir compte de défauts de taille très petite par rapport
à la taille caractéristique. On souhaite développer cette méthode dans le cas des
actionneurs plasmas. Ce PIR a pour but d’appliquer cette méthode aux modèles
plasmas. Le projet se déroulera en plusieurs étapes :
1. Lecture d’un article sur les méthodes patch
2. Construction et implémentation sur un problème simple (convection-diffusion
-réaction) de la méthode patch. Ce travail pourra être effectué en MatLab.
3. S’il reste du temps, définition d’une méthodologie d’implémentation dans le
code COPAIER de l’ONERA.
Qualités demandées pour le PIR : intérêt pour les méthodes numériques et pour la
programmation.
2
Réseaux et Communications
2.1
Développement d’un Cloud Over The Top
Jonathan Detchart (ISAE) Jérome Lacan (ISAE)
Développement d’une brique logicielle portable permettant la communication (envoi
et réception de fichiers) avec les systèmes de stockage grand public type Cloud
(Dropbox, Google Drive, Hubic, Box, systèmes utilisant WebDav, ...). Cette brique
logicielle devra également proposer un système de codage permettant :
1. de tolérer des pannes ( non disponibilité d’un cloud) en garantissant l’accès
aux données même si certains clouds sont indisponibles
2. de garantir le respect de la vie privée en interdisant aux gestionnaires de
chaque cloud d’accéder au contenu original des données stockées.
Le système sera codé en javascript afin d’être utilisé sur un grand nombre de
systèmes (notamment Android, iOS, Firefox, Chrome).
— Une application Web devra permettre de tester le système de codage et
l’envoi ou la réception des fichiers codés sur ces clouds.
— Une analyse des performances sera faite afin de valider les propriétés telles
que la sécurité et la fiabilité de ce système.
Connaissances requises : réseau, Web : HTML, CSS, javascript
2.2
Implémentation d’un simulateur réseau
Emmanuel Lochin (ISAE)
Implémentation d’un simulateur de réseaux simple permettant de mettre en évidence
la nature chaotique de TCP Cette étude vise à implémenter un simulateur de réseaux
simple reproduisant l’algorithme AIMD de TCP afin d’étudier son comportement
PIR du dpt DISC
11
lorsque ce dernier se trouve en compétition avec un, ou plusieurs autres flots TCP
évoluant au sein d’une simple file d’attente représentant celle d’un routeur. De
précédents travaux ont montré que l’évolution de la fenêtre du protocole TCP pouvait revêtir une nature chaotique suite au changement d’une variable donnée du
système comme la taille de la file d’attente ou le délai du réseau. Dans cette étude,
nous chercherons à étendre ces travaux (présentés à la conférence Infocom 2000
par Benko Veres) en proposant un simulateur permettant de mieux déterminer les
conditions d’apparition d’un régime chaotique. Ce simulateur sera couplé a un algorithme d’identification permettant de déterminer si nous sommes bien en présence
d’un tel régime.
Connaissances requises : réseaux, programmation système
2.3
Développement d’une file d’attente via l’API Traffic Control
GNU/Linux
Emmanuel Lochin (ISAE)
L’objectif de ce stage est de participer au sein de l’équipe de recherche réseaux
de l’ISAE au développement d’une AQM experimentale (Active Queue Management) dont un premier prototype a été mis en oeuvre. Cette nouvelle file d’attente
porte le nom de FavourQueue. Elle vise à améliorer le délai de transfert des flots
courts de l’Internet, notamment au niveau du routeur/modem d’accès, qui represente aujourd’hui le goulot d’étranglement de la communication. Le principe de
FavourQueue est simple : l’objectif est de dépiler les paquets qui n’appartiennent
pas à un flot précédemment mis en file d’attente. Une première étude faite par simulation a démontré que la latence diminuait de 30% comparé à une file FIFO. Le
développement s’effectuera via l’API Traffic Control de GNU/Linux (voir
http ://www.lartc.org/lartc.html). L’étudiant sera accompagné dans la réalisation
de son code. L’ISAE donnera tous les moyens à ce dernier pour promouvoir son
code en cas de succès. Plus d’info sur : http ://arxiv.org/abs/1103.2 Connaissances
requises : programmation C
2.4
Implémentation / optimisation et mesures d’un protocole de synchronisation d’horloges
Fabrice Francès (ISAE)
En 2013 nous avons proposé un algorithme de synchronisation d’horloges utilisant
la sérialisation des trames au sein d’un commutateur Ethernet (lorsque deux flux
confluent vers le même port de sortie), ce qui permet d’imaginer une synchronisation
de précision arbitraire entre machines reliées sur un même réseau local sans addition de matériel spécifique. Toutefois la précision de cette synchronisation dépend
de fluctuations (gigues) au sein des machines, dues aux latences et réactivité des
systèmes d’exploitation mais aussi des architectures matérielles (caches mémoire,
bus PCI ou PCI-Express de la carte Ethernet, etc.). Il s’agit donc de raffiner des
implémentations (en C) du protocole permettant d’atteindre une précision toujours
plus importante, et de collecter des mesures qui permettront de comparer quantitativement ce protocole aux autres protocoles de synchronisation existants, tel que
le Precision Time Protocol (IEEE 1588). En fonction du succès des résultats, une
publication scientifique pourra être soumise.
Connaissances requises : programmation C, réseau
12
2.5
E. Zenou
Consolidation d’un outil de certification des réseaux embarqués
Alhem Mifdaoui (ISAE), Jonathan Detchart (ISAE)
Dans le contexte des réseaux embarqués critiques, la vérification des contraintes temporelles et fonctionnelles au pire cas est une propriété essentielle pour non seulement
garantir le bon fonctionnement du système dans son environnement, mais aussi et
surtout pour des contraintes de certification très strictes notamment en avionique
et spatial. L’outil WoPANets (Worst case Performance Analysis of Embedded Networks) apporte dans sa version démonstrateur une première réponse à ce défi de
conception. Cet outil utilise des méthodes analytiques de modélisation et d’analyse
de performance pire cas (Network Calculus), assorties d’approches d’optimisation.
Ainsi, il construit un paramétrage réseau optimal répondant aux exigences systèmes
et ce, dès les phases amont de conception. L’objectif de ce stage est de consolider
cet outil via :
— La validation de la librairie mathématique basée sur du benchmarking
— L’extension de l’interface Homme-Machine pour faciliter l’exploitation de
WoPANets
Connaissances requises : programmation JAVA
2.6
Collecte de données sur Android
Tanguy Pérennou (ISAE), Gwilherm Baudic (ISAE)
On s’intéresse aux applications mobiles développées pour fonctionner sur des réseaux
tolérant les délais et les interruptions (DTN). Le cas d’utilisation envisagé pour cette
étude est la diffusion de slides de cours pendant un amphi. Dans un premier temps,
il faudra dimensionner cette diffusion (dispersion initiale, taille des données...). Ensuite, il faudra développer une application Android pour effectuer cette diffusion,
et collectant des données de performance. Ces données seraient ensuite envoyées
sur un serveur distant pour analyse. L’objectif final est l’obtention de métriques
(taux de délivrance, contacts, délais de réception) sur la diffusion, ainsi que la comparaison éventuelle avec une diffusion “classique” (non DTN) via WiFi ou réseau
mobile. Cette étude pourra à terme être valorisée sous la forme d’une publication
scientifique.
Connaissances requises : programmation JAVA, réseau
2.7
Démonstration de DTN avec Android, Bluetooth et WiFi
Tanguy Pérennou (ISAE), Gwilherm Baudic (ISAE)
On s’intéresse aux applications mobiles développées pour fonctionner sur des réseaux
tolérant les délais et les interruptions (DTN). Dans ce genre d’applications, un mobile (iOS, Android, etc.) peut être connecté à un ensemble de serveurs via Bluetooth,
NFC, Wi-Fi ou la 4G pour le premier “bond”, puis via l’Internet. L’ISAE dispose
d’une plate-forme d’émulation de tels réseaux constituée d’ordinateurs fixes interconnectés par des câbles Ethernet. Le travail demandé consiste à connecter des
mobiles Android à cette plateforme via Bluetooth ou Wi-Fi, afin de pouvoir tester
les applications clientes sur le terminal cible plutôt que sur un ordinateur fixe.
Connaissances requises : programmation JAVA, réseau
PIR du dpt DISC
2.8
13
Localisation relative en formation par une approche collaborative
Tanguy Pérennou (ISAE), Gael Pages (ISAE)
Dans une flotte de drones, la précision de localisation relative peut s’avérer cruciale
pour éviter les collisions. Les départements DEOS et DISC ont imaginé une solution
mêlant GPS différentiel, mesures inertielles et mesures de distance inter-drones dans
une approche collaborative centrée sur la fusion de données. Cette approche permet
de maintenir une erreur de localisation relative de l’ordre de quelques dizaines de
centimètres, même en cas de perte des signaux GPS... du moins dans un environnement simulé ! L’objectif de l’étude qui vous est proposée est de relâcher plusieurs
hypothèses liées à la diffusion des informations collaboratives, et de déterminer si
l’erreur de localisation relative reste sub-métrique. Il faudra pour cela modéliser
de nouvelles contraintes temporelles à la suite d’une étude bibliographique, puis
implémenter ce modèle en Matlab et l’intégrer à l’environnement de simulation
existant, et enfin mener la campagne de simulations.
Connaissances requises : Matlab
2.9
Caractérisation d’équipements pour une localisation relative en formation
Jacques Lamaison (ISAE), Tanguy Pérennou (ISAE)
Dans une flotte de drones, la précision de localisation relative peut s’avérer cruciale
pour éviter les collisions. Les départements DEOS et DISC ont imaginé une solution
mêlant GPS différentiel, mesures inertielles et mesures de distance inter-drones dans
une approche collaborative centrée sur la fusion de données. Dans l’optique d’une
publication dans une revue internationale, il faut caractériser les capteurs GPS,
inertiels et de mesure de distances dans diverses situations opérationnelles : terrain
dégagé, à couvert, conditions météorologiques, etc. Ce projet consiste à concevoir la
campagne de mesure à effectuer, puis à faire les mesures et enfin à faire la synthèse
des résultats.
2.10
Porting of communication tools to drone systems
Jonathan Detchart (ISAE), Jérôme Lacan (ISAE), François Defay (ISAE),
Arnaud Degroote (ISAE)
Several communication tools were introduced at DISC/RESCOM team for efficient
satellite and mobile applications. On the other side, several drones and robots were
developed at DCAS. The objective of this project is to port the concepts and softwares to drone/robot systems. More precisely, most of the softwares, which are
written in C, will be wrapped into the Orocos system (www.orocos.org/) already
deployed on the drones/robots.
The considered communication tools are libraries providing network, coding,
compression and cryptography tools. The generic porting of these functionalities to
the fleet of drones and robots should have positive impacts on research activities of
both teams DISC/RESCOM and DCAS.
Connaissances requises : C++
14
2.11
E. Zenou
Construction de matrices creuses pour des systèmes de
stockage de données distribués efficaces
Jérôme Lacan (ISAE), Jonathan Detchart (ISAE)
La plupart des grands acteurs de l’Internet (Google, Facebook, Microsoft, ...) utilisent désormais des systèmes de stockage de données distribués basés sur l’utilisation de codes à effacement. Le principe de ces codes consiste à multiplier les données
à stocker par une matrice non carrée. Cette opération génère des données redondantes qui sont ensuite distribuées sur les différents serveurs de stockage. Dans
l’autre sens, la récupération des données initiales est réalisée en multipliant les
données redondantes par l’inverse de sous-matrices de la matrice de codage.
Pour que ces opérations de codage et décodage soient les moins couteuses possibles, la matrice de codage doit être la plus creuse possible tout en conservant
au maximum ses propriétés d’inversibilité. En pratique, les matrices choisies sont
définies sur un corps fini et ont généralement des structures de Cauchy ou de Vandermonde.
L’objectif de ce projet sera tout d’abord de faire un rapide état de l’art des
matrices utilisées. Dans un second temps, plusieurs constructions récentes pourront
être analysées et développées. En fonction des aspirations des étudiants, les analyses
et les contributions pourront être orientées vers des aspects théoriques ou vers des
aspects informatiques (implémentations réelles).
2.12
Spécification, conception et développement d’applications Android pour l’Hôpital des Enfants
Fabrice Frances (ISAE)
L’année dernière Nicklos Serguier et Victor Laborde ont développé une application
de frise de journée pour l’Hôpital des Enfants. L’accueil enthousiaste qu’a reçu cette
application fait que d’une part elle va être déployée cette année dans l’Hôpital, et
d’autre part les pédagogues de l’Hôpital ont retrouvé confiance en la capacité de
l’ISAE à développer des applications éducatives pour les enfants malades. Nous
souhaitons donc pérenniser l’action d’OSE ISAE en enrichissant le portfolio ISAE
d’applications Android. Pour cela, il faudra bien sûr être à l’écoute du besoin des
pédagogues de l’Hôpital, mais aussi favoriser une production plus rapide des applications éducatives en renforçant le Framework que Nicklos et Victor ont initié et en
l’utilisant pour le développement d’une application qui pourrait devenir le Cartable
virtuel des enfants (intégrant la frise de journée et toutes les nouvelles applications
éducatives à venir).
3
3.1
Ingénierie pour les Systèmes Critiques
SPARK by Example
Jérôme Hugues (ISAE), Christophe Garion (ISAE)
Le langage SPARK étend le langage Ada2012 en ajoutant la capacité de prouver
formellement et mathématiquement des algorithmes. Ce formalisme exploite des
annotations sous la forme de pré-conditions, post-conditions et invariants de types
ou de boucles qui sont ensuite prouvés par comparaison avec le code source.
Nous nous baserons sur SPARK2014, qui est un langage récent issus de travaux
entrepris par AdaCore et Altran Praxis, faisant suite au projet “Hi-Lite”. L’objectif
principal de ce projet est de reprendre les exemples issus du rapport technique
de l’équipe Fokus l’Institut Fraunhofer “ACSL-by-Example” et le porter vers le
PIR du dpt DISC
15
language SPARK2014. Ce faisant, il est proposé de comparer le pouvoir d’expression
dans langes SPARK (dérivé d’Ada2012) et ACSL [1] (dérivé de C99) pour l’écriture
de code sûr par construction. Une première étape a été réalisée sur la base du
rapport technique publié en 2013. Le travail demandé consiste à
— étudier le langage SPARK, on utilisera l’ouvrage [3] comme base ;
— mettre à jour les exemples existants, traduits d’ACSL vers SPARK2014 ;
— compléter la base des exemples en traduisant les exemples non traités.
Ce projet sera l’occasion d’étudier des techniques nouvelles de conception, de développement
et de vérification de logiciels. Note : attention, on parle ici du langage SPARK2014,
et non du framework Apache SPARK utilisé pour le “big data”.
[1]Patrick Baudin et al. ACSL : ANSI/ISO C Specication Language. Version 1.7 –
Fluorine-20130601. 2013. url : http : //frama-c.com/download/acsl-implementationFluorine-20130601.pdf.
[2] Jochen Burghardt, Jens Gerlach, and Timon Lapawczyk. ACSL
[3] John W. McCornick and Peter C. Chapin. Building High Integrity Applications with SPARK. Cambridge University Press, 2015.
3.2
Simulation hybride intégrant un processeur temps réel
pour les lois de commande
Pierre Siron (ISAE), David Côme (ONERA)
Dans le cadre de la plateforme PRISE (Plateforme pour l’enseignement et la Recherche en Ingénierie des Systèmes Embarqués), une Simulation Distribuée de Systèmes
Embarqués (SDSE) a été développée. Cette simulation utilise la norme HLA (architecture de haut niveau pour les simulations distribuées à événements discrets),
l’architecture d’exécution intègre quelques composants de pilotage mais reste traditionnelle au delà des aspects distrubution et interopérabilité.
Il s’agit d’investiguer les possibilités de rendre la simulation SDSE hybride, c’està-dire intégrant des composants réels dans la simulation comme des processeurs embarqués (exemple PowerPC/VxWorks, Leon/RTEMS, etc.). La piste est d’étudier
l’intégration d’une partie de l’infrastructure de simulation distribuée sur le processeur embarqué et d’aller jusqu’au portage du code (disponible) de lois de commande.
Ce maquettage sera un pas décisif pour de nouvelles utilisations et démonstrations
de la plateforme. Le domaine de recherche concerné est celui des systèmes distribués
temps réel.
3.3
Conception et maquettage d’un outil de supervision pour
la simulation de systèmes embarqué
Pierre Siron (ISAE)
Dans le cadre de la plateforme PRISE (Plateforme pour l’enseignement et la Recherche en Ingénierie des Systèmes Embarqués), une Simulation Distribuée de Systèmes
Embarqués (SDSE) a été développée. Cette simulation utilise la norme HLA (architecture de haut niveau pour les simulations distribuées à événements discrets).
Cette norme permet l’interopérabilité de plusieurs simulateurs. Elle n’adresse pas
leur configuration, reconfiguration et supervision.
Une simulation distribuée réaliste de systèmes embarqués a été développée à
l’ISAE-SUPAERO et intègre les contributions de diverses disciplines. Pour obtenir
l’exécution temps réel visée, il faut utiliser les denières avancées dans le domaine de
l’ordonnancement des systèmes distribués temps réel. Le résultat est le choix d’un
placement de tâches sur des processeurs ainsi que des priorités pour leur exécution
16
E. Zenou
dans le cas d’un ordonnancement réalisé hors ligne. Il faut également tenir compte de
la disponibilité des processeurs et de leur fiabilité. Ces différents choix, ces différentes
actions, non considérés par la norme HLA, sont efééctués aujourd’hui manuellement.
La spécification d’un outil de configuration et de supervision de systèmes distribués
doit être réalisée, puis un maquettage de cet outil.
3.4
Analyse de différents scénarios pour une simulation distribuée avec des instances dynamiques
Janette Cardoso (ISAE), Pierre Siron (ISAE)
3.5
Information diffusion in Space Collision Alarm Systems :
case study specification and visualisation
Christophe Garion (ISAE), Thomas Polacsek (ONERA), Rémi Delmas
(ONERA)
Imagine a global Space Situation Awareness system in which space observation
capabilities belonging to different nations are mutualized. The aim of the system is
to warn when situations of potential collisions between orbiting objects are detected
by sending relevant informations to the right agents in order to avoid collisions
while guaranteeing that sensitive information about the orbiting objects (nature,
trajectories etc.) will not be leaked. We thus face two contradictory objectives on
information : need-to-share requirement and non-diffusion requirements.
PEPS is a formal framework for the specification and verification of information diffusion policies. PEPS allows to verify important properties for information
exchange policies : completeness, consistency, applicability and minimality. These
verifications can be automatically done using theorem provers.
Two projects are proposed to extend this work :
— build a GUI (Graphical User Interface) to represent Z3 models. The Z3 automatic theorem prover is used to prove properties on information exchange
policies and it would be useful to have a graphical representation of the
models returned by Z3 when it finds for instance a counterexample for a
property. Moreover, these models are not expressed in the PEPS formal language, and this translation could be done.
— define an interesting use case for PEPS. The student will have to define
an exchange policy with 10-20 rules in order to demonstrate the capabilities of PEPS and the associated analyses. The use case should provide
interesting scenarii, particularly policies with flaws, and show how to use
PEPS/Analyzers to find and repair these flaws.
3.6
Synthetic benchmarks for embedded processors
Jérôme Hugues (ISAE), Luca Santanelli (ONERA)
From Wikipedia, “In computing, a benchmark is the act of running a computer
program, a set of programs, or other operations, in order to assess the relative
performance of an object, normally by running a number of standard tests and
trials against it. The term ’benchmark’ is also mostly utilized for the purposes of
elaborately designed benchmarking programs themselves. Benchmarking is usually
associated with assessing performance characteristics of computer hardware, for
PIR du dpt DISC
17
example, the floating point operation performance of a CPU, but there are circumstances when the technique is also applicable to software. Software benchmarks
are, for example, run against compilers or database management systems. Synthetic
benchmarks do this by specially created programs that impose the workload on the
component. Application benchmarks run real-world programs on the system. While
application benchmarks usually give a much better measure of real-world performance on a given system, synthetic benchmarks are useful for testing individual
components, like a hard disk or networking device.”
Modern embedded processors have multiple internal optimizations to speed-up
the average execution time (such as caches, pipelines, MMUs). In addition, multicore processors add internal communication mechanisms between cores and memory
units that have a significant impact on the execution time. In this project, we want
to investigate synthetic benchmarks taking into account the internal architecture
of processors. The main objective is to understand key parameters of such architectures, and then propose specific benchmarks using this information. We want
to apply this to embedded processors such as multi-core PowerPC (e.g. P4080) or
SPARC-based (LEON3SMP and LEON4) architectures This project is a research
project, with the opportunity to learn more about modern processor architectures.
It is meant for team of two to three students, with various backgrounds.
3.7
Influence-Based Opinion Diffusion
Laurence Cholvy (ONERA)
Understanding the dynamics of opinion among agents is an important question in
the community of multi-agent sys- tems. At ONERA, we recently proposed a formal
model of opinion diffusion in a population of agents in which :
— opinions are modelled by propositional formulas,
— agents are influenced by other agents (influencers) and their influence is more
or less strong,
— agents change their opinions by merging the opinions of its influencers, from
the most influential one to the least.
This formal model has been theoretically analysed and some of its prop- erties have
been studied. In particular, some sufficient condition for conver- gence has been
found. Moreover, an implementation of this model in Prolog has been carried out.
The students expected contribution is twofold :
— A theoretical analysis of the model. This could lead to find some other cases
of convergence.
— An implementation of the model in the multi-agent programming language
NetLogo ( https ://ccl.northwestern.edu/netlogo/) or an equivalent environment.