Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Fiabilité et résilience des communications sans-fil dans les systèmes de transport terrestre

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - LEOST  -  WAHL Martine      tél. : +33 320438497

Directeur du laboratoire principal COCHERIL Yann  -

Laboratoire 2 - Référent COSYS - ESTAS  -  COLLART-DUTILLEUL Simon  -    -  tél. : +33 320438320

Spécialité de la thèse Informatique, Télécommunication

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Lille-Villeneuve d'Ascq

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale MADIS

Directeur de thèse prévu COLLART-DUTILLEUL Simon  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - ESTAS

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

1. Contexte et objectifs
Les communications sans-fil se sont imposées progressivement comme moyen de communication pour la gestion, le contrôle et la coopération dans les systèmes de transport terrestre. Le système européen de gestion de trafic ferroviaire (ERTMS), qui a permis d’harmoniser les applications de contrôle (ETCS) et de faciliter la circulation des trains à travers les pays européens, a notamment adopté le GSM-R comme technologie de communication dès les années 2000. Aujourd’hui, le succès d’ERTMS dont le modèle s’exporte à travers le monde est salué, mais de nombreux travaux pointent l’ineptie consistant à poursuivre le déploiement d’un GSM-R obsolète et proposent une évolution vers des technologies de télécommunications plus récentes. Cela se fera forcément à des coûts importants si on reste dans l’idée d’une infrastructure dédiée [1].

A contrario, dans les réseaux de véhicules routiers, les systèmes de communications véhicules-à-tiers (V2X) s’appuient sur les technologies de communication les plus récentes et se développent sur un modèle s’appuyant d’une part, en mode véhicule-à-infrastructure (V2I), sur des infrastructures de communications cellulaires grand public (LTE-V2X, 5G) ou des infrastructures Wi-Fi dédiées (802.11p ou 802.11bd) et d’autre part sur des communications directes de véhicules-à-véhicules (V2V). Néanmoins, des efforts restent à faire sur l’harmonisation de la gestion de trafic routier entre les pays européens. Des projets comme SCOOP puis InDiD portent les contributions de la France dans le cadre de la plate-forme européenne C-Roads en associant État, collectivités, sociétés d’autoroutes, entreprises des secteurs automobile, numérique et télécommunication et chercheurs académiques à la définition de l’infrastructure digitale pour la route. L’infrastructure de télécommunication sous-jacente évoluera en même temps que celle destinée au grand public et à des coûts plus raisonnables, car mutualisée.

A ces deux premières observations, on peut en ajouter deux autres. 1. L’arrivée du véhicule autonome particulier va évoluer dans le même espace urbain et péri-urbain que les véhicules autonomes de transport collectif (bus, tramway, train), par exemple la navette autonome du projet EcoTrain, et va donc nécessiter un système commun de gestion et de contrôle de trafic à l’échelle des transports terrestres. 2. Le développement de la 5G a vocation à offrir une infrastructure de communications avec des capacités très importantes pour toutes les applications de la ville intelligente (agriculture connectée, monitoring de l’environnement, surveillance des infrastructures, etc.), dont celles liées au contrôle, à la gestion et la coopération dans les transports terrestres en zones urbaines. On voit ainsi poindre l’opportunité de repenser l’organisation de la mise en œuvre d’un système de gestion de trafic à l’échelle de tous les transports terrestres, avec en perspective le recours à un système de télécommunication mutualisé basé sur une technologie récente (5G) et plus facile à faire évoluer à faible coût.

Dans ce contexte très large, cette thèse a pour objectif de proposer une approche de conception et d’évaluation adaptée à ce futur système global de gestion de trafic dans les transports terrestres, et de porter des contributions dans les projets nationaux et les initiatives d’harmonisation à l’échelle européenne. En matière de conception, il s’agit d’abord de repenser le système de gestion de trafic comme un ensemble d’applications destinées à la gestion de trafic, au contrôle de chaque véhicule, à la coopération entre véhicules et aux services à bord pour les usagers [2]. Chaque véhicule, en fonction de son type (véhicule particulier, bus, tramway, navette autonome, etc.), devra choisir de faire fonctionner tout ou partie de ces applications, tout le temps ou seulement à certains moments en fonction du contexte. Il s’agit ensuite de repenser le sous-système de télécommunication sous l’angle de la fiabilité et de la résilience, notamment pour les applications les plus critiques pour chacun des types de véhicules. En matière de conception et d’évaluation, cette thèse a pour principal objectif de s’appuyer sur les méthodes formelles et sur la modélisation et simulation à événements discrets, afin d’appliquer aux sous-systèmes de communication embarqués côté véhicule et côté infrastructure les mêmes niveaux d’exigence de garantie et de sûreté de fonctionnement que ceux appliqués aux applications de contrôle type ETCS ou pilote autonome de véhicule [3]. Toutes les contributions viseront à lever les doutes sur la possibilité de garantir la fiabilité et la résilience du lien de communication sans-fil dans un environnement d’infrastructure mutualisée, ce qui est aujourd’hui le frein principal qui conduit les opérateurs à opter pour une infrastructure dédiée.

2. Verrous scientifiques.
Le premier verrou scientifique à lever consiste à déconstruire la vision monolithique et très contextuelle (spécifique au ferroviaire, spécifique aux véhicules autonome, etc.) d’un système de gestion et de contrôle de trafic, afin de l’éclater en plusieurs applications caractérisées par leur fonction, leur niveau de criticité, leurs contraintes et exigences en termes de communications, etc.
Le second verrou scientifique consiste à conceptualiser un service de communication sans-fil, éventuellement élaboré à partir de plusieurs liens de communications sans-fil physiques (5G, 802.11p/bd, satellites, drones, etc.), qui est susceptible d’être intégré dans une démarche de sûreté de fonctionnement, de garantie de qualité de services et de résilience, notamment grâce aux méthodes et outils formels, et d’être évalué par simulation dans un contexte fonctionnel réaliste.

3. Caractère innovant
Ce travail est le premier qui aborde la gestion du trafic de tous les types de transports terrestres sous un seul système unifié, en particulier au regard de sa composante assurant les communications sans-fil entre véhicule et infrastructure, en y ajoutant les modes véhicule-à-véhicule, qui participent à la résilience des communications notamment en cas de faillite de l’infrastructure [4], et véhicule-à-extension d’infrastructure (drones, satellites, 5G-IoT). Il est aussi un des rares travaux qui s’intéressent, au-delà des performances du système de communication, à sa qualité et sa résilience en visant les garanties pouvant être assurées dès la conception (grâce aux méthodes formelles) et leur vérification dans des scénarios complexes à large échelle via la simulation [5].

4. Résultats attendus et valorisation
Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse feront l’objet de publications en revue internationale à comité de lecture avec un facteur d’impact pour les contributions les plus significatives liées aux deux verrous scientifiques. Une troisième revue complètera les contributions notamment en grande partie sur les résultats des évaluations et des simulations qui seront réalisées en fin de thèse. Le mémoire de thèse constituera en soit une contribution significative ouverte à tous.

5. Encadrement de la thèse
La thèse se déroulera sous l’encadrement effectif et direct des directeurs et encadrante de thèse (S. Collard-Dutilleul, P. Sondi et M. Wahl), en fonction des compétences nécessaires à chaque phase.

6. Candidat-e
- De préférence, titulaire ou en voie d’obtention en 2023-2024 d’un master II en Informatique, Réseaux et télécommunication ou Automatique industrielle.
- Fortement investi-e dans son travail de thèse et sa montée en compétence, devra avoir des capacités d’écoute, de reformulation, d’abstraction, de rédaction et d’autonomie. La connaissance d’un simulateur réseau ou des méthodes formelles est un plus.
- Aime la programmation, bon développeur en informatique, développera pendant la thèse des compétences en ingénierie des protocoles pour les réseaux, méthodes formelles et évaluation de systèmes complexes.
- Publiera en langue anglaise dans des conférences et revues internationales spécialisées sur les protocoles de communication (ex. revues Elsevier Ad Hoc networks, Springer Telecommunication Systems, IEEE Transaction on ITS, Journal of universal computer science, International Journal of Computers Communications & Control...)

7. Insertion professionnelle future
Le développement du concept du véhicule connecté aussi bien en Europe qu’à l’international, les investissements importants sur le sujet des industriels, notamment du secteur ferroviaire et automobile, ainsi que les efforts consentis par l’État pour des transports terrestres plus sûrs vont nécessiter des experts du secteur public et privé pour accompagner le développement et le déploiement des technologies dans ce domaine. Cette thèse est l’opportunité d’acquérir une expertise technique et scientifique en connexion avec des applications en cours d’expérimentation. Les activités normatives (rédaction et l’exploitation de normes, sous formes de laboratoire accrédités ou autre) sont aussi un exemple de débouchés scientifiques et professionnels.

8. Références bibliographiques : lire les références dans la version anglaise du sujet.

Mots-clefs: Système de gestion de trafic, Système de transport intelligent, Communications véhicules-à-tiers (V2X), Sûreté de fonctionnement, Systèmes de communication résilients

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - LEOST - WAHL Martine tél. : +33 320438497
Directeur du laboratoire principal	COCHERIL Yann -
Laboratoire 2 - Référent	COSYS - ESTAS - COLLART-DUTILLEUL Simon - - tél. : +33 320438320
Spécialité de la thèse	Informatique, Télécommunication
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Lille-Villeneuve d'Ascq
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	MADIS
Directeur de thèse prévu	COLLART-DUTILLEUL Simon - Université Gustave Eiffel - COSYS - ESTAS
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé 1. Contexte et objectifs Les communications sans-fil se sont imposées progressivement comme moyen de communication pour la gestion, le contrôle et la coopération dans les systèmes de transport terrestre. Le système européen de gestion de trafic ferroviaire (ERTMS), qui a permis d’harmoniser les applications de contrôle (ETCS) et de faciliter la circulation des trains à travers les pays européens, a notamment adopté le GSM-R comme technologie de communication dès les années 2000. Aujourd’hui, le succès d’ERTMS dont le modèle s’exporte à travers le monde est salué, mais de nombreux travaux pointent l’ineptie consistant à poursuivre le déploiement d’un GSM-R obsolète et proposent une évolution vers des technologies de télécommunications plus récentes. Cela se fera forcément à des coûts importants si on reste dans l’idée d’une infrastructure dédiée [1]. A contrario, dans les réseaux de véhicules routiers, les systèmes de communications véhicules-à-tiers (V2X) s’appuient sur les technologies de communication les plus récentes et se développent sur un modèle s’appuyant d’une part, en mode véhicule-à-infrastructure (V2I), sur des infrastructures de communications cellulaires grand public (LTE-V2X, 5G) ou des infrastructures Wi-Fi dédiées (802.11p ou 802.11bd) et d’autre part sur des communications directes de véhicules-à-véhicules (V2V). Néanmoins, des efforts restent à faire sur l’harmonisation de la gestion de trafic routier entre les pays européens. Des projets comme SCOOP puis InDiD portent les contributions de la France dans le cadre de la plate-forme européenne C-Roads en associant État, collectivités, sociétés d’autoroutes, entreprises des secteurs automobile, numérique et télécommunication et chercheurs académiques à la définition de l’infrastructure digitale pour la route. L’infrastructure de télécommunication sous-jacente évoluera en même temps que celle destinée au grand public et à des coûts plus raisonnables, car mutualisée. A ces deux premières observations, on peut en ajouter deux autres. 1. L’arrivée du véhicule autonome particulier va évoluer dans le même espace urbain et péri-urbain que les véhicules autonomes de transport collectif (bus, tramway, train), par exemple la navette autonome du projet EcoTrain, et va donc nécessiter un système commun de gestion et de contrôle de trafic à l’échelle des transports terrestres. 2. Le développement de la 5G a vocation à offrir une infrastructure de communications avec des capacités très importantes pour toutes les applications de la ville intelligente (agriculture connectée, monitoring de l’environnement, surveillance des infrastructures, etc.), dont celles liées au contrôle, à la gestion et la coopération dans les transports terrestres en zones urbaines. On voit ainsi poindre l’opportunité de repenser l’organisation de la mise en œuvre d’un système de gestion de trafic à l’échelle de tous les transports terrestres, avec en perspective le recours à un système de télécommunication mutualisé basé sur une technologie récente (5G) et plus facile à faire évoluer à faible coût. Dans ce contexte très large, cette thèse a pour objectif de proposer une approche de conception et d’évaluation adaptée à ce futur système global de gestion de trafic dans les transports terrestres, et de porter des contributions dans les projets nationaux et les initiatives d’harmonisation à l’échelle européenne. En matière de conception, il s’agit d’abord de repenser le système de gestion de trafic comme un ensemble d’applications destinées à la gestion de trafic, au contrôle de chaque véhicule, à la coopération entre véhicules et aux services à bord pour les usagers [2]. Chaque véhicule, en fonction de son type (véhicule particulier, bus, tramway, navette autonome, etc.), devra choisir de faire fonctionner tout ou partie de ces applications, tout le temps ou seulement à certains moments en fonction du contexte. Il s’agit ensuite de repenser le sous-système de télécommunication sous l’angle de la fiabilité et de la résilience, notamment pour les applications les plus critiques pour chacun des types de véhicules. En matière de conception et d’évaluation, cette thèse a pour principal objectif de s’appuyer sur les méthodes formelles et sur la modélisation et simulation à événements discrets, afin d’appliquer aux sous-systèmes de communication embarqués côté véhicule et côté infrastructure les mêmes niveaux d’exigence de garantie et de sûreté de fonctionnement que ceux appliqués aux applications de contrôle type ETCS ou pilote autonome de véhicule [3]. Toutes les contributions viseront à lever les doutes sur la possibilité de garantir la fiabilité et la résilience du lien de communication sans-fil dans un environnement d’infrastructure mutualisée, ce qui est aujourd’hui le frein principal qui conduit les opérateurs à opter pour une infrastructure dédiée. 2. Verrous scientifiques. Le premier verrou scientifique à lever consiste à déconstruire la vision monolithique et très contextuelle (spécifique au ferroviaire, spécifique aux véhicules autonome, etc.) d’un système de gestion et de contrôle de trafic, afin de l’éclater en plusieurs applications caractérisées par leur fonction, leur niveau de criticité, leurs contraintes et exigences en termes de communications, etc. Le second verrou scientifique consiste à conceptualiser un service de communication sans-fil, éventuellement élaboré à partir de plusieurs liens de communications sans-fil physiques (5G, 802.11p/bd, satellites, drones, etc.), qui est susceptible d’être intégré dans une démarche de sûreté de fonctionnement, de garantie de qualité de services et de résilience, notamment grâce aux méthodes et outils formels, et d’être évalué par simulation dans un contexte fonctionnel réaliste. 3. Caractère innovant Ce travail est le premier qui aborde la gestion du trafic de tous les types de transports terrestres sous un seul système unifié, en particulier au regard de sa composante assurant les communications sans-fil entre véhicule et infrastructure, en y ajoutant les modes véhicule-à-véhicule, qui participent à la résilience des communications notamment en cas de faillite de l’infrastructure [4], et véhicule-à-extension d’infrastructure (drones, satellites, 5G-IoT). Il est aussi un des rares travaux qui s’intéressent, au-delà des performances du système de communication, à sa qualité et sa résilience en visant les garanties pouvant être assurées dès la conception (grâce aux méthodes formelles) et leur vérification dans des scénarios complexes à large échelle via la simulation [5]. 4. Résultats attendus et valorisation Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse feront l’objet de publications en revue internationale à comité de lecture avec un facteur d’impact pour les contributions les plus significatives liées aux deux verrous scientifiques. Une troisième revue complètera les contributions notamment en grande partie sur les résultats des évaluations et des simulations qui seront réalisées en fin de thèse. Le mémoire de thèse constituera en soit une contribution significative ouverte à tous. 5. Encadrement de la thèse La thèse se déroulera sous l’encadrement effectif et direct des directeurs et encadrante de thèse (S. Collard-Dutilleul, P. Sondi et M. Wahl), en fonction des compétences nécessaires à chaque phase. 6. Candidat-e - De préférence, titulaire ou en voie d’obtention en 2023-2024 d’un master II en Informatique, Réseaux et télécommunication ou Automatique industrielle. - Fortement investi-e dans son travail de thèse et sa montée en compétence, devra avoir des capacités d’écoute, de reformulation, d’abstraction, de rédaction et d’autonomie. La connaissance d’un simulateur réseau ou des méthodes formelles est un plus. - Aime la programmation, bon développeur en informatique, développera pendant la thèse des compétences en ingénierie des protocoles pour les réseaux, méthodes formelles et évaluation de systèmes complexes. - Publiera en langue anglaise dans des conférences et revues internationales spécialisées sur les protocoles de communication (ex. revues Elsevier Ad Hoc networks, Springer Telecommunication Systems, IEEE Transaction on ITS, Journal of universal computer science, International Journal of Computers Communications & Control...) 7. Insertion professionnelle future Le développement du concept du véhicule connecté aussi bien en Europe qu’à l’international, les investissements importants sur le sujet des industriels, notamment du secteur ferroviaire et automobile, ainsi que les efforts consentis par l’État pour des transports terrestres plus sûrs vont nécessiter des experts du secteur public et privé pour accompagner le développement et le déploiement des technologies dans ce domaine. Cette thèse est l’opportunité d’acquérir une expertise technique et scientifique en connexion avec des applications en cours d’expérimentation. Les activités normatives (rédaction et l’exploitation de normes, sous formes de laboratoire accrédités ou autre) sont aussi un exemple de débouchés scientifiques et professionnels. 8. Références bibliographiques : lire les références dans la version anglaise du sujet.
Mots-clefs:	Système de gestion de trafic, Système de transport intelligent, Communications véhicules-à-tiers (V2X), Sûreté de fonctionnement, Systèmes de communication résilients

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