Sujet de Thèse
Titre :
Intelligence artificielle embarquée dans un réseau d'objets industriels communicants 5G
Dates :
2023/01/01 - 2026/12/30
Encadrant(s) :
Description :
L'émergence de l'Internet des Objets (IoT) - la connexion en réseau des objets, des processus, des données et personnes - a considérablement multiplié le
nombre d'appareils communicants (device) dans le monde, et les problèmes d'interconnexion inhérents à leur mise en réseau et de traitement des données
collectées. Les secteurs d'applications majeurs de l'IoT sont l'industrie (smart factory), la ville (smart city), et l'environnement (smart metering, smart
agriculture). Il existe un large consensus sur le fait que la problématique ne sera pas seulement de manipuler et d'exploiter dans le
Cloud, toutes les données générées par ces objets, mais au-delà de cela de gérer: l'interconnexion en réseau de milliers d'objets sous contraintes de
discontinuité de connexion, de latence de communication, et de consommation d'énergie pour des objets autonomes sur batterie. Actuellement les
technologies 4G/5G apparaissent comme les plus prometteuses pour répondre aux enjeux de débit, latence, connectivité [4], mais leur exploitation en
masse dans le contexte notamment industriel n'est pas suffisamment avérée ni expérimentée à ce jour, et les produits industriels sont encore peu
disponibles sur le marché ; d'autre part d'assurer le traitement des données générées par les objets, au plus près de leur source, par l'utilisation de
technologies d'analyse et de traitement embarquées, basées sur les méthodes de l'Intelligence Artificielle (IA) et de l'apprentissage automatique (ML), en
faisant appel à minima aux infrastructures Cloud, selon une approche edge-computing [5]. Les contraintes liées aux capacités réduites des architectures
microélectroniques des objets communicants entrainent la nécessité d'adapter les méthodes et algorithmes de l'IA/ML de façon légère [6], au profil des
objets limités en capacité de calcul et en énergie.
Les objectifs attendus sont à la fois sociétaux et scientifiques avec entre autres, la réduction de consommation d'énergie dans une infrastructure Cloud et
implicitement de l'empreinte carbone d'un système IoT, l'amélioration de la connectivité et de l'accessibilité des objets, l'amélioration de la réactivité de
décision et d'action sur les processus contrôlés/surveillésn par les objets communicants au travers des méthodes et algorithmes de décision IA/ML
embarqués plus près des processus.
Ainsi, les problématiques scientifiques et industrielles visées par le travail de thèse sont liées à la conception d'un objet communicant autonome,
supportant des capacités d'analyse et de décision avancées, sous contraintes matérielle et énergétique, pour des applications dans les domaines aussi
variés que smart factory, smart city, smart metering et smart agriculture.
Sur la base de ces constats, le travail de recherche et développement conduit dans la thèse sous convention CIFRE visera ces 3 objectifs :
1. Améliorer la conception d'un objet communicant OKKO sur un plan matériel et logiciel pour intégrer les fonctionnalités et services de communication
5G, afin de répondre aux enjeux de déploiement de masse avec une connectivité étendue. La minimisation de la consommation d'énergie de l'objet et la
consommation totale de l'infrastructure IoT seront des critères de spécification et réalisation [7]
2. Proposer, adapter, développer et expérimenter des modèles légers IA/ML embarqués, permettant d'accélérer l'analyse par apprentissage et classification
des données produites par les objets communicants avant transmission dans l'infrastructure IoT, et ainsi d'améliorer la réactivité aux problèmes. L'analyse
doit avoir lieu en périphérie du réseau (at the Edge), ce qui évite aux données de remonter au site central avant leur traitement.
3. Identifier, analyser et Intégrer les aspects cybersécurité dans la conception matérielle et logicielle des objets communicants en relation avec le futur
Règlement européen sur la cyber-résilience des équipements électroniques (EU Cyber Resilience Act) [8].
Le travail de thèse sera réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE avec la Sté OKKO.
Le candidat recruté effectuera ses travaux sous statut ingénieur recherche et développement au sein de OKKO et comme chercheur doctorant au
laboratoire CRAN.
[1] Mekki K, Bajic E., Chaxel F., Meyer F.,., "A comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT deployment", International Journal of
Information & Communication Technology Express, ICT Express, Vol. 5, Issue 1, March 2019, Elsevierhttps://doi.org/10.1016/j.icte.2017.12.005
[2] Mekki K, Bajic E., Chaxel F., Meyer F., "Indoor Positioning System for IoT Device based on BLE Technology and MQTT Protocol", IEEE World
Forum on Internet of Things, Limerick, Ireland, April 2019 ⟨hal-02098503⟩
[3] Projet ANR-21-SOIM-0007-03 Interactive and Intelligent physical assets control system for the Risks Management of hazardous industrial facilities,
CRAN-UMR CNRS 7039, LAMIH-UMR CNRS 8021, société régionale OKKO SaS, spécialisée en conception et développement de solutions pour
l'Internet des Objets
[5] Cao, Keyan & Liu, Yefan & Meng, Gongjie & Sun, Qimeng. (2020). An Overview on Edge Computing Research. IEEE Access. PP. 1-1.
10.1109/ACCESS.2020.2991734.
[6] Bian, Jiang & Arafat, Abdullah Al & Xiong, Haoyi & Li, Jing & Li, Li & Chen, Hongyang & Wang, Jun & Dou, Dejing & Guo, Zhishan. (2022).
Machine Learning in Real-Time Internet of Things (IoT) Systems: A Survey. IEEE Internet of Things Journal. 9. 10.1109/JIOT.2022.3161050.
[7] Mekki K, Bajic E., Meyer F., "Concept and Hardware Considerations for Product-Service System Achievement in Internet of Things". 5th IEEE
International Conference on Wireless Technologies, Embedded and Intelligent Systems, Fez, Morocco, April 2019. {hal-02087881}
[8] Loi européenne sur la cyber-résilience, https://digital-strategy.ec.europa.eu/fr/library/cyber-resilience-act
nombre d'appareils communicants (device) dans le monde, et les problèmes d'interconnexion inhérents à leur mise en réseau et de traitement des données
collectées. Les secteurs d'applications majeurs de l'IoT sont l'industrie (smart factory), la ville (smart city), et l'environnement (smart metering, smart
agriculture). Il existe un large consensus sur le fait que la problématique ne sera pas seulement de manipuler et d'exploiter dans le
Cloud, toutes les données générées par ces objets, mais au-delà de cela de gérer: l'interconnexion en réseau de milliers d'objets sous contraintes de
discontinuité de connexion, de latence de communication, et de consommation d'énergie pour des objets autonomes sur batterie. Actuellement les
technologies 4G/5G apparaissent comme les plus prometteuses pour répondre aux enjeux de débit, latence, connectivité [4], mais leur exploitation en
masse dans le contexte notamment industriel n'est pas suffisamment avérée ni expérimentée à ce jour, et les produits industriels sont encore peu
disponibles sur le marché ; d'autre part d'assurer le traitement des données générées par les objets, au plus près de leur source, par l'utilisation de
technologies d'analyse et de traitement embarquées, basées sur les méthodes de l'Intelligence Artificielle (IA) et de l'apprentissage automatique (ML), en
faisant appel à minima aux infrastructures Cloud, selon une approche edge-computing [5]. Les contraintes liées aux capacités réduites des architectures
microélectroniques des objets communicants entrainent la nécessité d'adapter les méthodes et algorithmes de l'IA/ML de façon légère [6], au profil des
objets limités en capacité de calcul et en énergie.
Les objectifs attendus sont à la fois sociétaux et scientifiques avec entre autres, la réduction de consommation d'énergie dans une infrastructure Cloud et
implicitement de l'empreinte carbone d'un système IoT, l'amélioration de la connectivité et de l'accessibilité des objets, l'amélioration de la réactivité de
décision et d'action sur les processus contrôlés/surveillésn par les objets communicants au travers des méthodes et algorithmes de décision IA/ML
embarqués plus près des processus.
Ainsi, les problématiques scientifiques et industrielles visées par le travail de thèse sont liées à la conception d'un objet communicant autonome,
supportant des capacités d'analyse et de décision avancées, sous contraintes matérielle et énergétique, pour des applications dans les domaines aussi
variés que smart factory, smart city, smart metering et smart agriculture.
Sur la base de ces constats, le travail de recherche et développement conduit dans la thèse sous convention CIFRE visera ces 3 objectifs :
1. Améliorer la conception d'un objet communicant OKKO sur un plan matériel et logiciel pour intégrer les fonctionnalités et services de communication
5G, afin de répondre aux enjeux de déploiement de masse avec une connectivité étendue. La minimisation de la consommation d'énergie de l'objet et la
consommation totale de l'infrastructure IoT seront des critères de spécification et réalisation [7]
2. Proposer, adapter, développer et expérimenter des modèles légers IA/ML embarqués, permettant d'accélérer l'analyse par apprentissage et classification
des données produites par les objets communicants avant transmission dans l'infrastructure IoT, et ainsi d'améliorer la réactivité aux problèmes. L'analyse
doit avoir lieu en périphérie du réseau (at the Edge), ce qui évite aux données de remonter au site central avant leur traitement.
3. Identifier, analyser et Intégrer les aspects cybersécurité dans la conception matérielle et logicielle des objets communicants en relation avec le futur
Règlement européen sur la cyber-résilience des équipements électroniques (EU Cyber Resilience Act) [8].
Le travail de thèse sera réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE avec la Sté OKKO.
Le candidat recruté effectuera ses travaux sous statut ingénieur recherche et développement au sein de OKKO et comme chercheur doctorant au
laboratoire CRAN.
[1] Mekki K, Bajic E., Chaxel F., Meyer F.,., "A comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT deployment", International Journal of
Information & Communication Technology Express, ICT Express, Vol. 5, Issue 1, March 2019, Elsevierhttps://doi.org/10.1016/j.icte.2017.12.005
[2] Mekki K, Bajic E., Chaxel F., Meyer F., "Indoor Positioning System for IoT Device based on BLE Technology and MQTT Protocol", IEEE World
Forum on Internet of Things, Limerick, Ireland, April 2019 ⟨hal-02098503⟩
[3] Projet ANR-21-SOIM-0007-03 Interactive and Intelligent physical assets control system for the Risks Management of hazardous industrial facilities,
CRAN-UMR CNRS 7039, LAMIH-UMR CNRS 8021, société régionale OKKO SaS, spécialisée en conception et développement de solutions pour
l'Internet des Objets
[5] Cao, Keyan & Liu, Yefan & Meng, Gongjie & Sun, Qimeng. (2020). An Overview on Edge Computing Research. IEEE Access. PP. 1-1.
10.1109/ACCESS.2020.2991734.
[6] Bian, Jiang & Arafat, Abdullah Al & Xiong, Haoyi & Li, Jing & Li, Li & Chen, Hongyang & Wang, Jun & Dou, Dejing & Guo, Zhishan. (2022).
Machine Learning in Real-Time Internet of Things (IoT) Systems: A Survey. IEEE Internet of Things Journal. 9. 10.1109/JIOT.2022.3161050.
[7] Mekki K, Bajic E., Meyer F., "Concept and Hardware Considerations for Product-Service System Achievement in Internet of Things". 5th IEEE
International Conference on Wireless Technologies, Embedded and Intelligent Systems, Fez, Morocco, April 2019. {hal-02087881}
[8] Loi européenne sur la cyber-résilience, https://digital-strategy.ec.europa.eu/fr/library/cyber-resilience-act
Mots clés :
Edge IA, objet communicant, produit intelligent, IoT, 5G
Conditions :
Durée 36 mois, Activité de recherche à Nancy dans le laboratoire CRAN et activité industrielle occasionnelle sur site de clients de l'entreprise OKKO.
Rémunération ingénieur selon expérience. Profil
Master avec compétences en modélisation AI/ML, informatique industrielle, électronique et informatique embarqué
Rémunération ingénieur selon expérience. Profil
Master avec compétences en modélisation AI/ML, informatique industrielle, électronique et informatique embarqué
Département(s) :
| Ingénierie des Systèmes Eco-Techniques |
Financement :
Contrat CIFRE
Publications :
