Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Outils méthodologique pour la validation virtuelle de systèmes ferroviaires.

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

Directeur du laboratoire principal RODRIGUEZ Joaquin  -

Spécialité de la thèse Informatique et statistiques expérimentales

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

Co-directeur de thèse prévu SCHMIDT Franziska  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - EMGCU

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

1/ Contexte ferroviaire industriel
'ERTMS (European Railway Traffic Management System) constitue l'une des avancées technologiques majeures du siècle en cours dans le domaine ferroviaire. Il facilite les opérations transfrontalières combinant radio et système de signalisation.
Les spécifications du système de contrôle des trains correspondant, le système européen de contrôle des trains (ETCS), sont documentées dans le sous-ensemble 26,[1] complété par des STI (Spécifications techniques d'interopérabilité).
La mise en œuvre fonctionnelle correcte de ce sous-ensemble est vérifiée en appliquant un ensemble de tests fonctionnels spécifiés dans le sous-ensemble 76 [2].

Les performances globales de nombreux dispositifs techniques ferroviaires étant liées aux conditions environnementales, les tests d'interopérabilité doivent être mis en œuvre par des tests sur site mesurant les performances effectives. Pour des motivations d'efficacité, il existe une motivation industrielle et politique pour remplacer les tests sur site par des tests en laboratoire basés sur des outils de simulation. C'était l'objectif principal du « zéro test sur site » TD2.6 de l'ensemble de projets shift2rail [3]

À titre d’exemple, le programme GNSS Automated Virtualized Test Environment for Rail (GATE4Rail) [4] a été lancé en 2018 à la suite d’un appel à propositions ouvert de la coentreprise Shift2Rail (S2R) de l’Union européenne.
Ses principaux objectifs sont : i) une caractérisation réaliste de l'environnement en termes d'infrastructures ferroviaires et GNSS pour l'évaluation des performances et des propriétés de certains composants de positionnement de train à sécurité intégrée, ii) une définition d'un cadre commun de processus de test pour zéro sur site essai.

La communication radio a été étudiée suivant les mêmes motivations [5], [6]. Mais une fois le protocole et le banc d'essai définis, la dernière étape consiste à convaincre la NSA (National Safety Authority).

Le principe de prouver la conssitance comportementale entre un comportement réel et un comportement simulé a été accepté par la NSA française (à savoir l'Établissement Public de Sécurité Ferroviaire, EPSF). Mais c'était pour un seul paramètre, et la loi de Student a été jugée efficace.
Pour un ensemble de données multiparamétriques et non homogènes, les statistiques industrielles de base avec cette loi peuvent ne pas parvenir à démontrer une équivalence comportementale.

Les travaux de thèse visent à définir un cadre méthodologique, basé sur des approches mathématiques, pour démontrer l'équivalence potentielle des résultats simulés et des données mesurées sur le terrain, afin de développer un jumeau numérique industriellement crédible.

2/ Cadre méthodologique

Une première étape sera de tester si les données simulées donnent les mêmes informations que les données de terrain (tests), il faut en effet diviser les zones de tests (paramètres de tests donnant des situations homogènes), afin d'obtenir des sous-espaces homogènes.
Par la suite, on ne sait pas si les résultats obtenus par les tests sont de même nature que les résultats numériques : si c'est le cas, des tests statistiques permettent de vérifier qu'il s'agit de phénomènes sous-jacents identiques. Dans le cas contraire, il faudra définir des indicateurs à calculer/obtenir de chaque côté (test/numérique) pour comparer ces deux méthodes, et/ou des méthodologies pour adapter les données physiques ou numériques pour une meilleure comparaison.

Ensuite, une méthodologie sera proposée pour sélectionner les sorties numériques, et donc collecter des données de haute qualité à partir des lectures des capteurs dans un jumeau numérique basé sur des capteurs au cours de son cycle de vie. Les données collectées contribuent au processus de mise à jour périodique des modèles composant le cadre numérique.

De plus, les techniques de science des données seront appliquées pour détecter les pannes de plusieurs capteurs en même temps et pourront être facilement intégrées au flux de travail.

3/ Programmation du doctorat

M0-M12 : Etat de l'art, bibliographie, notamment en lien avec le domaine et rédaction d'un travail de synthèse. Première proposition d’analyse et de collecte de données

M12-M24 : Collecte de données, analyse de données avec diverses techniques statistiques et Machine Learning (Réseaux de Neurones)

M24-M36 : Rédaction d'articles (objectif : 2 articles dans des revues), rapport de thèse

4/ Bibliographie

[1] Subset 26: ”system requirements specification”. Std, UNISIG, 2016.
Https://www.era.europa.eu/content/set-specifications-3-etcs-b3-r2-gsm-r-b1 en.

[2] Subset-076-6-3: Test sequences, version 3.0.0. Std, European Railway Agency, 2015.

[3] Shit2rail TD2.6 ,"Zero on-site testing", url=https://projects.shift2rail.org/s2r_ip_TD_r.aspx?ip=2&td=983bce09-d662-47ac-904c-a543f5b73fcc

[|4] gate4rail GNSS Automated Virtualized Test Environment for Rail, URL=https://gate4rail.eu/

[5] M. Berbineau et al., "Zero on site testing of railway wireless systems: the Emulradio4Rail platforms," 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), Helsinki, Finland, 2021, pp. 1-5, doi: 10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448903.

[6] J. M. Garcia-Loygorri, R. Behaegel and M. Berbineau, "Characterization of the railway environment: channel models & general characteristics", GA 826152, 2020, [online] Available: www.emulradio4rail.eu.

Mots-clefs: simulation à des fin de validation, ERTMS, ingénierie mathématique, sécurité ferroviaire

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - ESTAS - COLLART-DUTILLEUL Simon tél. : +33 320438320
Directeur du laboratoire principal	RODRIGUEZ Joaquin -
Spécialité de la thèse	Informatique et statistiques expérimentales
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
Co-directeur de thèse prévu	SCHMIDT Franziska - Université Gustave Eiffel - MAST - EMGCU
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé 1/ Contexte ferroviaire industriel 'ERTMS (European Railway Traffic Management System) constitue l'une des avancées technologiques majeures du siècle en cours dans le domaine ferroviaire. Il facilite les opérations transfrontalières combinant radio et système de signalisation. Les spécifications du système de contrôle des trains correspondant, le système européen de contrôle des trains (ETCS), sont documentées dans le sous-ensemble 26,[1] complété par des STI (Spécifications techniques d'interopérabilité). La mise en œuvre fonctionnelle correcte de ce sous-ensemble est vérifiée en appliquant un ensemble de tests fonctionnels spécifiés dans le sous-ensemble 76 [2]. Les performances globales de nombreux dispositifs techniques ferroviaires étant liées aux conditions environnementales, les tests d'interopérabilité doivent être mis en œuvre par des tests sur site mesurant les performances effectives. Pour des motivations d'efficacité, il existe une motivation industrielle et politique pour remplacer les tests sur site par des tests en laboratoire basés sur des outils de simulation. C'était l'objectif principal du « zéro test sur site » TD2.6 de l'ensemble de projets shift2rail [3] À titre d’exemple, le programme GNSS Automated Virtualized Test Environment for Rail (GATE4Rail) [4] a été lancé en 2018 à la suite d’un appel à propositions ouvert de la coentreprise Shift2Rail (S2R) de l’Union européenne. Ses principaux objectifs sont : i) une caractérisation réaliste de l'environnement en termes d'infrastructures ferroviaires et GNSS pour l'évaluation des performances et des propriétés de certains composants de positionnement de train à sécurité intégrée, ii) une définition d'un cadre commun de processus de test pour zéro sur site essai. La communication radio a été étudiée suivant les mêmes motivations [5], [6]. Mais une fois le protocole et le banc d'essai définis, la dernière étape consiste à convaincre la NSA (National Safety Authority). Le principe de prouver la conssitance comportementale entre un comportement réel et un comportement simulé a été accepté par la NSA française (à savoir l'Établissement Public de Sécurité Ferroviaire, EPSF). Mais c'était pour un seul paramètre, et la loi de Student a été jugée efficace. Pour un ensemble de données multiparamétriques et non homogènes, les statistiques industrielles de base avec cette loi peuvent ne pas parvenir à démontrer une équivalence comportementale. Les travaux de thèse visent à définir un cadre méthodologique, basé sur des approches mathématiques, pour démontrer l'équivalence potentielle des résultats simulés et des données mesurées sur le terrain, afin de développer un jumeau numérique industriellement crédible. 2/ Cadre méthodologique Une première étape sera de tester si les données simulées donnent les mêmes informations que les données de terrain (tests), il faut en effet diviser les zones de tests (paramètres de tests donnant des situations homogènes), afin d'obtenir des sous-espaces homogènes. Par la suite, on ne sait pas si les résultats obtenus par les tests sont de même nature que les résultats numériques : si c'est le cas, des tests statistiques permettent de vérifier qu'il s'agit de phénomènes sous-jacents identiques. Dans le cas contraire, il faudra définir des indicateurs à calculer/obtenir de chaque côté (test/numérique) pour comparer ces deux méthodes, et/ou des méthodologies pour adapter les données physiques ou numériques pour une meilleure comparaison. Ensuite, une méthodologie sera proposée pour sélectionner les sorties numériques, et donc collecter des données de haute qualité à partir des lectures des capteurs dans un jumeau numérique basé sur des capteurs au cours de son cycle de vie. Les données collectées contribuent au processus de mise à jour périodique des modèles composant le cadre numérique. De plus, les techniques de science des données seront appliquées pour détecter les pannes de plusieurs capteurs en même temps et pourront être facilement intégrées au flux de travail. 3/ Programmation du doctorat M0-M12 : Etat de l'art, bibliographie, notamment en lien avec le domaine et rédaction d'un travail de synthèse. Première proposition d’analyse et de collecte de données M12-M24 : Collecte de données, analyse de données avec diverses techniques statistiques et Machine Learning (Réseaux de Neurones) M24-M36 : Rédaction d'articles (objectif : 2 articles dans des revues), rapport de thèse 4/ Bibliographie [1] Subset 26: ”system requirements specification”. Std, UNISIG, 2016. Https://www.era.europa.eu/content/set-specifications-3-etcs-b3-r2-gsm-r-b1 en. [2] Subset-076-6-3: Test sequences, version 3.0.0. Std, European Railway Agency, 2015. [3] Shit2rail TD2.6 ,"Zero on-site testing", url=https://projects.shift2rail.org/s2r_ip_TD_r.aspx?ip=2&td=983bce09-d662-47ac-904c-a543f5b73fcc [\|4] gate4rail GNSS Automated Virtualized Test Environment for Rail, URL=https://gate4rail.eu/ [5] M. Berbineau et al., "Zero on site testing of railway wireless systems: the Emulradio4Rail platforms," 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), Helsinki, Finland, 2021, pp. 1-5, doi: 10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448903. [6] J. M. Garcia-Loygorri, R. Behaegel and M. Berbineau, "Characterization of the railway environment: channel models & general characteristics", GA 826152, 2020, [online] Available: www.emulradio4rail.eu.
Mots-clefs:	simulation à des fin de validation, ERTMS, ingénierie mathématique, sécurité ferroviaire

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