CRAN - Campus Sciences
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Sujet de Thèse : Surveillance distribuée des systèmes cyber-physiques : Surveillance distribuée des systèmes cyber-physiques : Application aux bâtiments « intelligents » pour l’optimisation de l’efficacité énergétique.
Dates : 2017/10/01 - 2020/09/30
Directeur(s) CRAN : Dominique SAUTER , Jean-Yves KELLER
Description : Contexte de la thèse :

La phase opérationnelle d’un bâtiment représente 80% du coût de son cycle de vie parmi lesquels 50% sont liés à la consommation d'énergie. De plus, jusqu'à 90% des émissions de carbone du cycle de vie des bâtiments se produisent pendant cette phase opérationnelle, principalement en raison de l'utilisation de l'HVAC (chauffage, ventilation et climatisation), de l'éclairage et des appareils électriques.
Il est généralement admis que les performances des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (HVAC) n'atteignent souvent pas le niveau atteint à la mise en service. Les capteurs et les actionneurs se dégradent et perdent de leur efficacité, les vannes fuient ou bien les « dampers » se bloquent, les échangeurs s’encrassent et tout autre problème peut se poser, ce qui a un fort impact sur la consommation d'énergie. On estime que 20 % de l’énergie consommée est perdue en raison de ces défauts. Il est donc nécessaire de détecter et d'isoler les défauts qui peuvent se produire.
Un bâtiment devient « intelligent » à partir du moment où il réagit dynamiquement à son contexte d’usage quand sa consommation d’énergie est mesurée à partir d’un réseau de capteurs dispersés géographiquement et contrôlée grâce à des actionneurs eux mêmes distribués. A partir de ces flux d’informations, les performances énergétiques de bâtiments peuvent être surveillées, évaluées et contrôlées par le développement de méthodologies et d’outils s’appuyant sur des facteurs pertinents tels que le comportement de l’usager, les prévisions météorologiques, l’occurrence de défauts, …
Dans ce contexte d’information distribuée, dans lequel le réseau est un élément important, l’objectif de la thèse est de développer des méthodes d’ingénierie de systèmes cyber-physiques qui soient en mesure de diagnostiquer et de s’adapter à des situations dynamiques et complexes tout en optimisant l’efficacité énergétique du bâtiment (ou de l’îlot) et en assurant la sûreté de fonctionnement du système de contrôle.
Les méthodes développées pendant la thèse seront appliquées à la plateforme ECOSUR du CRAN.


Concepts :

Dans ce contexte, le sujet de thèse considère dans un premier temps la problématique du filtrage distribué des systèmes linéaires temps discret observés par des réseaux de capteurs-actionneurs. Dans le cas restreint aux réseaux de capteurs, le filtrage distribué proposé dans [2] permet le calcul distribué de la prédiction non biaisée à variance minimale du vecteur d’état du système d’état à l’aide d’un algorithme de consensus de moyenne dépendant de la topologie du réseau et des échanges d’information entre nœuds voisins du réseau. Nous souhaitons généraliser ces résultats aux réseaux de capteurs-actionneurs lorsque les pertes aléatoires sur l’information échangée entre nœuds voisins du réseau, notamment sur les actions effectuées sur le système, conduisent à l’apparition aléatoire d’entrées inconnues intermittentes dans la problématique du filtrage distribué. Différentes versions distribuées du filtre de Kalman à entrées inconnues intermittentes développé dans [3],[4] et [5] seront étudiées afin de permettre:

1-La prédiction d’état distribuée non biaisée à variance minimale de tout l’état du système en fonctionnement normal,
2-Une estimation d’état distribuée non biaisée d’un vecteur d’état réduit de dimension maximum lorsque l’information sur les actions effectuées sur le système est perdue (passage d’une optimisation globale à une optimisation locale combinatoire ou séquentielle),
3-En un temps minimum de retrouver la prédiction distribuée de tout l’état du système lorsque la communication entre les nœuds du réseau est rétablie.

Des contraintes temps-réel de calcul sur chaque nœud du réseau et de communication entre eux nécessiteront la conception de filtres linéaires locaux de mêmes ordres, de mêmes dimensions et de mêmes structures quelque soient les modes de fonctionnement 1, 2 et 3. Le temps minimum de récupération de la prédiction optimale de tout l’état du système, différent pour chaque nœud du réseau car lié au retard inhérent de l’inverse à gauche du système propre à chaque nœud, fera l’objet d’une étude en fonction des propriétés de connectivité du réseau. Le temps moyen de récupération sera étudié en fonction de différentes lois statistiques supposée décrire le processus aléatoire de pertes d’information et sera lié aux conditions de convergence stochastique.

Les entrées inconnues intermittentes peuvent représenter des défauts additifs de types capteurs, actionneurs sur chaque nœud du réseau mais aussi des attaques sur l’information échangée entre les nœuds du réseau [6-10]. Utilisant le concept de redondance analytique distribuée, les solutions proposées dans cette thèse permettront l’estimation distribuée conjointe de l’état du système et des entrées inconnues intermittentes et donc le diagnostic distribué des systèmes cyber-physiques.
Mots clés : Diagnostic, défauts, énergie, bâtiments
Conditions : 3 ans
CONACYT
Bourse
Master en automatique
Département(s) :
Contrôle Identification Diagnostic
Financement : CONACYT