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Étude paramétrique pour la validation et l’évaluation de la robustesse de stratégies d’étalonnage in situ pour réseaux de capteurs bas coût

Sujet de stage

Contexte

Afin de mieux comprendre le monde qui nous entoure, nous avons besoin d'informations quantitatives sur différentes grandeurs ambiantes tel la température, l'humidité, le bruit, des concentrations de polluants, etc. Il faut employer des instruments de mesure adaptés pour les obtenir. La demande a augmenté ces dix dernières années par l'émergence de l'Internet des objets et des capteurs bas-coût afin de répondre à différents enjeux tels l'amélioration de la commande et du contrôle des systèmes pour les rendre plus propres ou la détection d'anomalies tels des îlots de chaleur ou des pics de pollution avec l'identification de leurs sources par exemple.

Obtenir des valeurs exactes peut être très coûteux selon la qualité des résultats souhaitée. Concernant la mesure de la qualité de l'air, les stations de mesures déployées en France à des fins de surveillance par des organismes de contrôle sont équipées d'analyseurs mesurant différentes grandeurs selon leur localisation.Ces instruments sont onéreux, lourds et encombrants. Cela ne permet pas d'en disposer partout, que ce soit pour des raisons économiques ou techniques. Toutefois, la pollution peut être très différente même d'une rue à l'autre, justifiant ainsi que pour étudier ces phénomènes, on doit pouvoir disposer d'un réseaux d'instruments de mesure plus dense. Les capteurs bas coût ont ainsi tout leur intérêt rendant cela abordable financièrement et possible techniquement avec la miniaturisation des composants. Néanmoins,ces technologies restent émergentes et de nombreux défis doivent être relevés.

Ici, on s'intéresse à la qualité des données et notamment à l'étalonnage des instruments de mesure.L'étalonnage est défini par le BIPM comme l'" opération qui, dans des conditions spécifiées, établit en une première étape une relation entre les valeurs et les incertitudes de mesure associées qui sont fournies par des étalons et les indications correspondantes avec les incertitudes associées, puis utilise en une seconde étape cette information pour établir une relation permettant d'obtenir un résultat de mesure à partir d'une indication.

Cette opération est habituellement réalisée dans des laboratoires dédiés après la fabrication selon des procédures normalisées, notamment à des fins de certification sans être obligatoire et doit être répétée périodiquement dans le cadre des opérations de maintenance Tout ceci rend l'étalonnage très coûteux.Ainsi,la plupart des capteurs bas coût ne sont pas étalonnés individuellement et ceux-ci sont sujet à des dérives notamment au cours du temps, ce qui représente alors un défi pour la qualité de mesure dans le cadre de réseaux denses de capteurs basés sur ces technologies.

Objectifs du stage

On s'intéresse au développement de stratégies pour l'étalonnage in situ de réseaux de capteurs bas coûts. Néanmoins la littérature est abondante sur le sujet avec de nombreuses méthodes existantes du fait de la diversité des réseaux à considérer. Dans le cadre des travaux de thèse de Florentin Delaine,qui encadre ce stage, un environnement de simulation pour des réseaux de capteurs visant la qualité de l'air a été développé. Il permet par exemple d'évaluer les performances de stratégies équivalentes pour un réseau sur de même situations ambiantes ou encore de comparer différents réseaux pour différents cas d'utilisation.

L'objectif principal du stage est de mener à bien différentes études paramétriques sur le simulateur de réseaux de capteurs. Elles concerneront les réseaux de capteurs statiques et viseront à évaluer les performances des stratégies d'étalonnage implémentées dans l'environnement de simulation. On s'intéressera particulièrement à la robustesse des méthodes à différentes perturbations.

Dans un premier temps, il s'agira de définir le plan d'expérience à suivre en s'appropriant les différents paramètres du simulateur. Le stagiaire sera accompagné par ses encadrants, notamment Florentin Delaine, dans la prise en main de celui-ci, cet outil étant au coeur du stage. Dans le simulateur, il est possible de perturber les mesures réalisées par des capteurs modélisés comme idéaux selon huit classes d'erreurs pouvant être combinées. Étant donné leur nombre, il n'est pas envisageable de réaliser toutes les combinaisons et de parcourir l'espace entier des paramètres pour chaque classe. Les choix retenus seront motivés.

Ensuite, les méthodes d'étalonnage implémentées seront mises en oeuvre sur les données générées par plusieurs réseaux de capteurs. Les réseaux de capteurs pouvant être de différents types, il conviendra également de conduire l'étude pour différentes configurations.

Enfin, nous nous intéresserons à l'évaluation des résultats afin de déterminer les situations dans lesquelles certaines méthodes se comportent mieux que d'autres, que ce soit par rapport à la configuration du réseau ou aux erreurs introduites. On pourra également en déduire des pistes d'amélioration le cas échéant.

Profil souhaité

De niveau Master 1 ou 2 ou équivalent en EEA ou informatique. Un intérêt pour l'instrumentation d'un point de vue données ainsi que la métrologie est impératif. Vous disposez de compétences à traversvotre formation et/ou vos stages précédents vous permettant de mener à bien un plan d'expériences et d'en interpréter les résultats. Maîtrise de Python pour un usage scientifique. La connaissance de Linux

et de SGBD (MySQL/PostgreSQL) est un plus.

Conditions de réalisation

Le stage sera encadré par :- Florentin Delaine (IFSTTAR (LISIS), florentin.delaine@ifsttar.fr)- Bérengère Lebental (IFSTTAR (LISIS), berengere.lebental@ifsttar.fr)au sein du LISIS (http://www.lisis.ifsttar.fr/) et en partenariat avec Efficacity (https://www.efficacity.com/).Lieu de travail : IFSTTAR, Boulevard Newton, Cité Descartes 77455 Marne-la-Vallée Cedex 2Indemnité : de l'ordre de 525epar mois ainsi ainsi que 50% des frais de transport remboursés et unesubvention déjeuner.Durée : jusqu'à 6 mois

Date de début envisagée : à partir de février 2019

Candidature

Envoyer un CV et une lettre de motivation à Florentin Delaine (florentin.delaine(at)ifsttar.fr)

Quelques références bibliographiques

[1] Laura Balzano and Robert Nowak. Blind Calibration of Sensor Networks.2007 6th InternationalSymposium on Information Processing in Sensor Networks, pages 79-88, 2007.

[2] BIPM, IEC, IFCC, ILAC, IUPAC, IUPAP, ISO, and OIML.International vocabulary of metrology -Basic and general concepts and associated terms (VIM). JCGM 200 :2012, 3rd edn. edition, 2012.

[3] David M. Broday, Alexander Arpaci, Alena Bartonova, Nuría Castell-Balaguer, Tom Cole-Hunter,Franck R. Dauge, Barak Fishbain, Rod L. Jones, Karen Galea, Milena Jovašević-Stojanović, DavidKocman, Tania Martinez-Iñiguez, Mark Nieuwenhuijsen, Johanna A. Robinson, Vlasta Svecova, andPhong Thai. Wireless distributed environmental sensor networks for air pollution measurement-thepromise and the current reality.Sensors, 17(10), 2017.

[4] Jane K. Hart and Kirk Martinez. Environmental Sensor Networks : A revolution in the earth systemscience ?Earth-Science Reviews, 78(3-4) :177-191, 2006.