Méthode de calcul des impacts environnementaux de réseaux de

capteurs

Nous avons proposé un modèle de cycle de vie pour les réseaux de capteurs et formulé

leurs impacts à l’aide de l’équation 9. Cependant, nous avons soulevé que certains des

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termes de cette équation dépendent de l’activité du réseau en phase d’opération,

activité dont le caractère hétéronome et synergétique rend difficile la connaissance. Ce

faisant, si les termes DEP

n

et DEM

n

(représentant des impacts autonomes) peuvent

être déterminés à l’aide d’une ACV, le calcul des termes REM

n

, MAI

n

et CON

n

(représentant des impacts pouvant être hétéronomes) requiert des précisions

méthodologiques supplémentaires. Nous proposons en réponse à ceci une méthode

en quatre étapes permettant de calculer les impacts hétéronomes et de les intégrer

aux impacts autonomes préalablement calculés à l’aide d’une ACV.

Nous détaillons ci-après cette méthode, qui a par ailleurs fait l’objet d’une publication

au Journal of Cleaner Production (Bonvoisin et al., 2012). Elle suit le synoptique

présenté en figure 13 : les données nécessaires à son exécution sont représentées par

les flèches entrantes (à gauche), et les résultats intermédiaires et finaux sont

représentés par les flèches sortantes (à droite). La première étape permet de

déterminer le contexte des nœuds. La seconde étape consiste à déterminer l’activité

du réseau. La troisième étape consiste à calculer, à partir de l’activité, la

consommation énergétique de chaque nœud. La dernière étape consiste à intégrer les

résultats intermédiaires au modèle de cycle de vie de réseau.

Face à la diversité des technologies de réseaux de capteurs, nous présentons cette

méthode sous la forme d’un cadre générique, ses quatre étapes devant être

paramétrées en utilisant les modèles et outils appropriés aux cas étudiés. Nous

préciserons par la suite ce cadre au travers la description d’un outil informatique

spécifique que nous avons développé pour implémenter cette méthode (voir section 3

« Outil de calcul des impacts d’un réseau de capteurs »).

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2.1.4.1. Définition du voisinage de chaque nœud

L’impact d’un nœud dans la phase d’opération dépend de son activité, dont nous

avons soulevé l’hétéronomie. Afin de prendre en compte cette dépendance, nous

proposons de représenter le contexte d’un nœud au travers de la notion de

« voisinage », c’est-à-dire de l’ensemble des nœuds avec lesquels un nœud peut

communiquer. La première étape de la méthode consiste donc à déterminer ce

voisinage pour chaque nœud.

La capacité de deux nœuds à communiquer dépend de la puissance de l’émetteur, de

la sensibilité du receveur, de sa capacité à décoder un signal dégradé, et de la

propagation du signal entre les deux points. Cette dernière est définie à l’aide d’un

modèle de propagation des ondes radio donnant l’atténuation du signal entre deux

points de l’espace, prenant par exemple en compte leur distance relative, leur hauteur

par rapport au sol et la présence d’obstacles. Considérant la probabilité de succès d’un

transfert de message d’un nœud à un autre comme une fonction de l’atténuation du

signal, nous définissons le voisinage d’un nœud comme l’ensemble des nœuds du

réseau avec lesquels la probabilité de succès d’un échange de message est différente

de zéro.

2.1.4.2. Détermination de l’activité des nœuds

Une fois le voisinage défini, l’activité des nœuds peut être déterminée. Son caractère

synergétique interdit cependant une détermination via un modèle analytique. Deux

options sont alors possibles : le recours à des scénarios d’utilisation, ou l’étude de

l’activité du réseau dans son ensemble.

L’utilisation de scénarios d’utilisation permet d’étudier un système complexe sans

avoir à analyser ses comportements synergétiques. Elle permet de s’affranchir d’un

niveau de complexité en fixant les paramètres hétéronomes des éléments du système,

et ainsi de se concentrer sur leurs aspects autonomes. L’utilisation de scénarios

implique cependant que 1) l’on connaisse a priori le comportement du système (à

travers un modèle empirique par exemple) afin de déterminer des scénarios plausibles

2) l’erreur effectuée en choisissant un scénario n’est pas déterminante pour l’étude.

Lorsque ces conditions ne sont pas réunies, une autre alternative consiste au contraire

à analyser l’activité du réseau dans son ensemble. L’expérience réelle n’étant pas

envisageable en conception, ceci peut être fait via simulation numérique. L’activité

peut alors être déterminée par la réaction d’un modèle numérique du système

communiquant à des évènements générateurs de communication. Un exemple

d’évènement générateur de communication est l’envoi d’une alarme par un capteur

suite à un comportement de la part du phénomène surveillé identifié comme

problématique. Les réactions du système sont définies par les comportements

individuels des nœuds de réseau, par leurs protocoles de communication, et par les

perturbations auxquelles les signaux de communication peuvent faire face. Un

programme de simulation approprié doit être implémenté pour rendre compte de ces

comportements, intégrant tous les phénomènes ayant une influence notable sur la

consommation.

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2.1.4.3. Calcul des consommations énergétiques

Une fois l’activité déterminée, la consommation énergétique peut en être déduite. La

consommation énergétique d’un équipement est la combinaison de deux dimensions :

la puissance, donnée technique de l’appareil, et le temps, donnée relative à son usage.

La puissance est triviale à déterminer car elle peut être directement mesurée sur

l’équipement, ou même calculée par ses concepteurs. Le temps de consommation est

quant à lui une conséquence de l’activité, cette dernière ayant été calculée à l’étape

précédente. La présente étape consiste donc à combiner ces données avec le modèle

de consommation approprié aux équipements considérés. Ceci permet également de

déduire la durée de vie des batteries à l’aide d’un modèle de décharge, celui-ci

pouvant prendre en compte différents phénomènes entrant dans la dynamique de la

décharge de la batterie, tels que l’autodécharge, la passivation, ou les effets de la

température.

2.1.4.4. Calcul des impacts du réseau

A cette étape, tous les termes de l’équation 9 sont connus ; l’impact total du réseau

peut alors être calculé. Les impacts autonomes des nœuds de réseau (les termes DEP

n

et DEM

n

), préalablement calculés à l’aide d’une ACV, sont intégrés avec les impacts

hétéronomes (les termes REM

n,

MAI

n

et CON

n

) qui sont le résultat des trois étapes

précédentes. Ainsi, l’impact de la consommation énergétique des équipements sur

secteur (le terme CON

n

) est obtenu en multipliant la consommation à l’impact

environnemental par unité d’énergie consommée. L’impact du remplacement des

équipements sur batterie (le terme REM

n

) est également déterminé grâce à la durée

de vie des batteries calculée à l’étape précédente. L’intégration de tous ces termes à

l’aide de l’équation 9 permet d’obtenir l’impact environnemental du réseau sur

l’ensemble de son cycle de vie.

2.2. Impacts indirects

Il n’apparait pas possible, au vu de la diversité de leurs applications, de donner une

formulation générique des impacts indirects des réseaux de capteurs. Les applications

possibles ne sont pas limitées à un domaine à l’intérieur duquel nous pourrions

trouver des comportements communs. Le plus petit commun dénominateur semble de

dire que les réseaux de capteurs permettent des changements dans leurs domaines

d’application, et c’est d’ailleurs ainsi que nous avons défini leurs impacts indirects. Ils

doivent donc être analysés au cas-par-cas.

Par ailleurs, le calcul des impacts indirects d’un réseau de capteurs peut en pratique

être difficile. Déterminer des impacts indirects, c’est déterminer la différence existant

entre les deux versions du domaine d’application : avec et sans le service. Il s’agit donc

de comparer d’un côté les impacts environnementaux du domaine original, et d’un

autre côté les impacts environnementaux du couple service-domaine d’application.

Cette comparaison n’est cependant pas toujours possible, d’une part car les impacts

environnementaux du domaine d’application ne sont pas toujours quantifiables, et

d’autre part parce qu’ils ne s’expriment pas systématiquement dans les mêmes

échelles que les impacts du service :

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- comparabilité : le cas idéal est lorsqu’il est possible d’exprimer les impacts

environnementaux du service et du domaine d’application par les mêmes

indicateurs. Un cas moins favorable se présente quand les impacts

environnementaux du service et du domaine d’application n’ont qu’une partie

de leurs indicateurs en commun. Moins favorable encore est le cas où aucun

indicateur n’est commun. Par exemple, les impacts directs et indirects d’un

service de suivi de la pollution de l’air urbain permettant de réguler le trafic

seraient difficilement comparables : comment comparer des impacts

environnementaux calculés par une ACV et une qualité de l’air ?

- calculabilité : le cas idéal serait de pouvoir mesurer objectivement les impacts

du domaine d’application dans les deux versions. Dans certains cas, la version

avec service est projetée et doit être estimée. Dans le cas le moins favorable,

les impacts des deux versions sont difficiles à quantifier. Par exemple, un

service de télérelève journalière des compteurs d’eau permettrait aux ménages

de mieux gérer leur consommation, et notamment de détecter des fuites. Il

n’est cependant pas évident de déterminer en quelle mesure l’introduction du

service peut changer les comportements de consommation d’eau.

Au vu de ces réflexions, afin de déterminer l’impact indirect du service, le domaine

d’application doit être analysé dans deux versions : avec et sans optimisation. Cette

double évaluation doit être réalisée à l’aide d’une ACV et :

- prendre en compte les modifications du domaine d’application qu’il est

possible de quantifier.

- exprimer ses résultats dans les mêmes unités que l’analyse des impacts directs

du service.

2.3. Méthode intégrée d’analyse et d’éco-conception des

services d’optimisation basés sur des réseaux de capteurs

Les apports théoriques présentés jusqu’ici permettent de formuler une méthode

d’analyse et d’éco-conception des services d’optimisation basés sur des réseaux de

capteurs. Cette méthode, illustrée par la figure 14, comporte les étapes suivantes :

1. Considération des impacts directs du service, en deux temps :

a. Analyse des équipements. Calcul des impacts générés isolément par les

équipements, sur l’ensemble de leur cycle de vie – phase d’utilisation

mise à part. La méthode d’analyse utilisée ici est une ACV classique.

b. Analyse de l’infrastructure réseau. Calcul des impacts générés par le

réseau sur l’ensemble de son cycle de vie. On utilise ici la méthode

d’analyse des impacts d’un réseau de capteurs présentée plus haut

(section 2.1.4), qui utilise en entrée les impacts des équipements

calculés à l’étape précédente.

2. Analyse du domaine d’application. Calcul des impacts indirects du service, au

travers des impacts qu’il évite à son domaine d’application.

3. Analyse de l’information. Recherche de la configuration des données brutes

minimisant la sollicitation de l’infrastructure et permettant de générer une

information minimisant l’impact indirect.

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4. Conclusion sur les impacts du service. Comparaison des impacts 1) du domaine

d’application non optimisé avec ceux 2) du domaine d’application optimisé

conjointement à ceux du service d’optimisation. Conclusion sur la pertinence

environnementale du service.

Les étapes 1 à 3 permettent de générer des connaissances quant aux liens existant

entre les caractéristiques de conception d’un service et ses impacts

environnementaux. Ces connaissances peuvent alimenter une recherche d’alternatives

de conception du service, dans un cadre mêlant expertise technique et

environnementale. Ceci permet de générer des préconisations de conception d’ordre

technique et ne demandant donc pas d’expertise environnementale. Trois niveaux de

préconisations d’éco-conception peuvent ainsi être considérés : préconisations portant

sur 1) les équipements 2) leur intégration dans l’infrastructure réseau 3) l’information

générée par le service.

Les préconisations d’éco-conception formulées permettent d’alimenter une

re-conception du service. Les conclusions formulées sur la pertinence environnementale

permettent d’identifier les catégories d’impacts sur lesquelles le service est le moins

performant – c'est-à-dire pour lesquelles le ratio entre les impacts qu’il génère et ceux

qu’il évite est le plus fort – et peut mettre en évidence l’existence d’éventuels

transferts d’impacts. Ceci permet d’orienter les objectifs de la démarche

d’éco-conception, et par là-même guider l’utilisation des préconisations d’éco-d’éco-conception,

voire leur génération si un rebouclage de la méthode est envisagé.

Figure 14 - Méthode intégrée d’analyse environnementale et d’éco-conception des services d’optimisation basés sur des réseaux de capteurs.

Dans le document Analyse environnementale et éco-conception de services informationnels (Page 88-93)