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GREENAR - Optimal Energy Balancing (GREEN) Navigation and Ranging

Project Coordinator : OSEAN Toulon
Project Manager at GIPSA-lab : Cornel IOANA

Project realized thanks to the support of : Autre organisme (DGA)

Start date : 2011/04/01

Duration : 36 mounths


Définir des réseaux de capteurs acoustiques intelligents à usages multiples

Les problématiques de détection, classification et localisation (DCL)  de sources acoustiques et/ou de cibles acoustiques réflectrices représentent des enjeux de sociétés extrêmement importants. Les applications sont multiples : télésurveillance (surveillance tactique militaire, surveillance géologique, surveillance et contrôle industriel, sécurité civile, …), analyse physique des systèmes (bioacoustique, géologie, océanographie physique,...), contrôle environnemental (surveillance géophysique à l'échelle climatique, suivi localisé de la pollution sonore, suivi localisé de la pollution chimique, analyse de la biodiversité...).
Dans ce dernier domaine, la liste rouge des espèces menacées, établies en 2009 par l'UICN (Union internationale pour la conservation de la nature, www.iucn.fr) comprend désormais 47677 espèces, soit 36% des espèces connues,  dont 17 291 sont menacés d'extinction. La France, de part son extension des territoires d'outre-mer, est au huitième rang des pays concernés par cette menace puisque 778 espèces menacées se trouvent sur son territoire. La France compte ainsi 20 espèces de mammifères marins et 13 espèces de chiroptères sur la liste rouge internationale. Elle est donc située en première ligne des pays à qui l'on prête une forte responsabilité pour comprendre et enrayer les menaces qui pèsent sur la biodiversité.
Les enjeux sociaux et économiques liés à la mise sur étagère de systèmes d'observations acoustiques étendus, tant civils que militaires sont donc énormes. Par ailleurs, pour les années à venir, les systèmes opérationnels doivent impérativement prendre en compte et intégrer la notion de capteurs en réseau. En effet, les nouvelles technologies offrent désormais la promesse d'augmenter considérablement les densités de points de mesure, ce qui a un impact positif direct sur les performances des systèmes mais ce qui soulèvent en même temps de nouvelles contraintes opérationnelles et des nouveaux besoins théoriques.

Plusieurs dizaines d’années de recherche fondamentales, notamment militaire, ont permis le développement de théories et d’outils de validations des systèmes DCL. Les systèmes développés dans le cadre de ces recherches sont complexes, lourds et coûteux et ne peuvent pas être facilement transposés dans les domaines pour lesquels certaines contraintes opérationnelles n'ont pas jamais été intégrées en amont, notamment celle propres aux capteurs en réseaux.
Or, les contraintes principales qui pèsent sur ce type de systèmes sont les suivantes :
- Contraintes de déploiement dans des conditions difficiles,
- Contraintes de mise en œuvre des applicatifs avec la prise en compte de la flexibilité apportée par le réseau,
- Contrainte matérielle/logiciel de consommation énergétique incompatibles avec un fonctionnement autonome,
- Contrainte de consommation énergétique incompatible avec l'effort de réduction qui s'impose désormais pour l'ensemble des secteurs d'applications en électronique,
- Contraintes de coûts proportionnelles au nombre de capteurs et à l’infrastructure de communication.

La solution pour pouvoir s’affranchir de ces contraintes est de réaliser l’analyse globale des différentes composantes élémentaires du système. Nous y intégrons d'une part les dernières innovations technologiques émanant de l’explosion des marchés des systèmes électroniques de communication et d’appareils nomades grand public. Ces marchés ont nécessité le développement de techniques communications et d’algorithmes de traitement puissants ne pouvant être mis en œuvre qu’à l’aide de nouveaux composants électroniques très faible consommation et très faible coût. Nous proposons d'autre part le développement d’une technologie de rupture mettant en avant l'efficacité énergétique dans le contexte spécifique des systèmes de capteurs autonomes en réseau. Dans cet esprit, le projet GREENAR, en se concentrant sur la problématique de réduction de la consommation globale d’énergie au niveau applicatif, se propose d'optimiser conjointement le fonctionnement de l'ensemble des composantes technologiques d'un système de sonar distribué opérationnel.
Les fonctions principales de ce type de systèmes sont les suivantes :
- Fonction Capteur élémentaire,
- Fonction de conditionnement du signal capteur,
- Fonction de numérisation du signal conditionné,
- Fonction de gestion, de contrôle et de traitement de l’information capteur in situ,
- Fonction de communication de l’information capteur, physique et protocole,
- Fonction de synchronisation des données capteur,
- Fonction d’exploitation des données (du capteur vers le serveur de calcul)
- Fonction d'exploitation des données du serveur principal vers le SIG,
- Fonction  de modélisation et d'assimilation de données du SIG,
- Fonction de transfert d'information du SIG vers le serveur principal,
- Fonction de transfert d'information du serveur vers les capteurs,
- Fonction de gestion matérielle et logicielle de la consommation énergétique des différents constituants

L’analyse fine par fonction de ce type de système va permettre de faire émerger des solutions novatrices, modulaires et faible coût pour chacun des constituants les composant.
La stratégie mise en œuvre doit nous permettre d’obtenir un système modulaire, facile à mettre en œuvre, faible consommation et donc d’en réduire drastiquement les coûts d’acquisition et d’exploitation.
Les orientations principales retenues sont les suivantes :
- Le système doit pouvoir prendre en compte des capteurs de type et technologies variés,
- Le système doit comporter un principe de communication ouvert et modulaire,
- Le système doit permettre une exploitation des données en temps réel et en mode distribué minimisant les transferts de données,
- Le système doit avoir un bilan énergétique faible permettant un déploiement de longue durée.

Les solutions proposées sont :
- utilisation des technologies de conversion les plus récentes et les plus efficaces en termes de consommation énergétiques : convertisseur A/D et DSP embarqué basse consommation et complètement contrôlable en mise en veille totale ou partielle,
- utilisation d'un protocole de communication standard existant, ouvert et convergent dans la mesure où il doit pouvoir s'adapter à n'importe quel media et protocole de communication (Ethernet temps réel, modem sous-marins, sans-fil aérien).
- Utilisation d'une approche orientée modèle, couplé à un système d'information géographique pour réaliser la supervision du système en général et l'optimisation énergétique en particulier.

A ce jour, les seuls systèmes existants ont été développés pour des applications dédiées dans les domaines scientifiques et militaires. Ces systèmes ne sont pas transposables à des applications larges spectre tels que : les réseaux légers, filaires et sans fils, de contrôle acoustiques, les réseaux autonomes de mesures de bruits, les réseaux de détection et d’identification d’espèces protégées, les réseaux de capteurs sous-marins intelligents.
De manière plus précise, nous envisageons une valorisation de la technologie GREENAR dans les domaines suivants :
- déploiement de systèmes sonars en surveillance tactique côtière et en surveillance de zones civiles écologiquement sensibles (parc naturels offshore, surveillance sismique sous-marine et terrestre),
- déploiement de sonars (éventuellement fusionné avec de la vidéo dans le visible et l'infrarouge) sur des équipements de soldats au combat pour atteindre des objectifs de protection et d'analyse temps réel du terrain améliorée,
- déploiement de réseau de capteurs pour la compréhension des écosystèmes « sonores » (mammifères marins, chauve souris, mesure de la biodiversité de ces espèces par des moyens acoustiques),
- déploiement de réseau de capteurs dans l'industrie et notamment dans les centrales de productions d'énergétiques où on utilise déjà beaucoup les capteurs acoustiques dans les systèmes de maintenance prédictives ( détection et localisation de fuites vapeurs dans les chaudières, détection et localisation de décharges partielles dans les transformateurs de courant,...).

Le projet est constitué de trois partenaires principaux : les PMEs OSEAN et CYBERIO, le laboratoire de recherche GIPSA-lab et deux sous-traitants : le NURC et la société EGIS Environnement. Ces deux sous-traitants interviennent pour la phase de validation du concept dans le cas militaire et civil.


GIPSA-lab, 11 rue des Mathématiques, Grenoble Campus BP46, F-38402 SAINT MARTIN D'HERES CEDEX - 33 (0)4 76 82 71 31