face aux défis technologiques de demain GIPSA-lab

ALIMENTATION SANTÉ-BIEN-ÊTRE SÉCURITÉ ENVIRONNEMENT HABITAT ENERGIE MOBILITÉ NUMÉRIQUE CULTURE-LOISIRS

GIPSA-lab

face aux défis technologiques

de demain

GIPSA-lab

face aux défis technologiques

de demain

SO MM AI RE

AVANT-PROPOS . . . . p . 5 INTRODUCTION . . . . p . 7 LES EXPERTISES SCIENTIFIQUES

À GIPSA-LAB . . . . p . 11

Alimentation. . . . . p ..12

Santé-Bien-être. . . . . p ..14

Sécurité. . . . . p ..16

Environnement. . . . . p ..18

Habitat. . . . .p ..20

Energie. . . . . p ..22

4

l y a plusieurs manières de fêter un anniversaire : en regardant derrière soi et en contem- plant le travail accompli, ou bien en regardant où l’on est arrivé et où il est opportun d’aller. Pour fêter les 10 ans de GIPSA-lab, nous avons choisi cette deuxième option : s’arrêter un instant pour mettre en perspective la science, les sciences que l’on mène à GIPSA-lab, la diversité de nos recherches, des modèles que l’on élabore, des algo- rithmes que l’on construit,… avec ce qui nous entoure, notre environnement, aussi bien physique qu’humain, le monde tel qu’il est et tel qu’il avance.

Comment se positionne la science menée à GIPSA-lab, au regard des défis tech- nologiques de demain ?

Les sciences à GIPSA-lab sont fortement liées aux mondes physique, biologique, hu- main et industriel d’où elles nourrissent leurs questionnements, d’où elles tirent leurs données, les expériences, et avec lesquels elles restent intrinsèquement liées tout au long du processus de construction des connaissances. La détection, la caractérisation et l’identification de l’information, qui est captée, mesurée, observée sur les terrains d’ap- plication, constituent la spécificité même de nos recherches en traitement du signal, en automatique ou en parole. Une onde acoustique, électrique, électromagnétique qui se propage, de l’eau qui coule, du vent qui souffle, un moteur qui tourne, un phonème de parole, un dialecte, ont en commun d’être porteur d’une information, d’une histoire, d’une interaction, chargée des traces du milieu ou des sources dont ils proviennent. Il est alors fascinant, intéressant, parfois utile de mieux les comprendre pour mieux les exploiter.

Notre métier de scientifique est de comprendre cette information et de trouver les outils pour mieux la caractériser. Nous avons aussi la curiosité de savoir comment et par qui cette information pourrait être exploitée, maintenant ou plus tard, et dans quel but.

AV ANT -PR OPOS

Mobilité. . . . . p ..24 Numérique. . . . .p ..26 Culture-Loisirs. . . . .p ..28

INDEX . . . . p . 30

I

6

l y a dix ans, les trois laboratoires de recherche ICP, LAG et LIS

^*

fusionnaient pour créer GIPSA-lab, Grenoble Images Parole Signal Automatique. Ces laboratoires, recon- nus chacun dans leur propre domaine, bénéficiaient déjà d’un acquis de collaborations fructueuses notamment avec la fédération de recherche ELESA. Ces collaborations, entretenues en amont depuis plusieurs années, ont favorisé la préparation préalable de chaque laboratoire partenaire pour faciliter la mise en place de la future unité en 2007.

L’organisation de GIPSA-lab en trois départements et douze équipes a été guidée par le souhait de faire apparaître une transversalité et un esprit de continuité entre les théma- tiques scientifiques rassemblées au sein de ce nouveau laboratoire. Cette organisation, couplée à une structuration des activités administratives et techniques en services trans- versaux, ont ainsi permis au fil des ans de soutenir une dynamique scientifique perma- nente dans cette diversité très pluridisciplinaire du traitement de l’information, allant de la physique aux sciences humaines et sociales. GIPSA-lab est d’ailleurs reconnu comme unité mixte de recherche (UMR) par les deux instituts INS2I et INSHS du CNRS et, sur le plan local, par une double appartenance aux pôles MSTIC (Mathématiques et Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication) et SHS (Sciences Humaines et Sociales) de la communauté Université Grenoble Alpes.

Chaque département de GIPSA-lab, à travers ses équipes, entretient une relation plus ou moins forte avec les mathématiques, la physique, les géosciences, la mécatronique,

* ICP : Institut de la Communication Parlée (CNRS, Grenoble INP, UJF) LAG : Laboratoire d’Automatique de Grenoble (CNRS, Grenoble INP, UJF) LIS : Laboratoire des Images et des Signaux (CNRS, Grenoble INP, UJF)

I

C’est ce que nous avons tenté de faire avec cette brochure en regardant nos activités scientifiques au travers du prisme des avancées technologiques et des défis à relever pour notre société de demain.

Nous tenons, ici, à remercier la Direction Générale des Entreprises (DGE) du Ministère de l’économie et des finances de nous avoir autorisés à utiliser le document Technolo-

gies clés 2020^* comme support à ce travail. Nous avons repris le classement en grands

thèmes de ce document, ainsi qu’une partie des contenus décrivant les défis techno- logiques à relever pour demain. Nous avons ensuite identifié ceux faisant écho à nos activités de recherche, pour présenter, d’une façon non exhaustive, un ensemble d’ex- pertises scientifiques présentes dans notre laboratoire.

Cet exercice réalisé à l’occasion des 10 ans de GIPSA-lab fut intéressant, parfois com- plexe, lorsqu’un outil théorique peut trouver des terrains applicatifs dans de multiples do- maines. Après 10 ans de travail et à l’orée d’un nouveau contrat quinquennal qui nous lie à nos établissements de tutelles, le CNRS, Grenoble INP et l’Université Grenoble Alpes, c’est pour l’heure une démarche réflexive qui ouvre la voie à une réflexion prospective pour le futur du laboratoire.

Jérôme MARS,

professeur Grenoble INP directeur de GIPSA-lab

*Technologies clés 2020-Industrie du futur, rapport réalisé par la Direction générale des entreprises du Ministère de l’économie et des finances, 5^e édition, 2016.

INTR ODUCTION

8

12 EQUIPES DE RECHERCHE De l’observation à l’interprétation

Du modèle au contrôle

De la physique et de la cognition à la communication

GAMA Group Aeroacoustics,

Modeling and Application PCMD

Perception Contrôle Multimodalité Dynamique de la

parole

VSLD Voix, Systèmes Linguistiques et

Dialectologie CRISSP

Cognitive Robotics, Interactive Systems & Speech

Processing

AGPIG Architecture,

Géométrie, Perception, Images, Gestes

VIBS Vision and Brain Signal Processing

CICS Communication and Information in

Complex systems

SAIGA Signal Automatique pour la surveillance, le diagnostique et la

biomécanique

Systèmes linéaires SLR et Robustesse SIGMAPHY

Signal Images Physique

Equipe reconnue par l’Observatoire des sciences

de l’Univers de Grenoble

NECS Networked

Control Systems

Equipe commune avec Inria Rhône-Alpes

SYSCO Systèmes non

linéaires et complexité

l’informatique, les sciences du langage ou les sciences cognitives. En s’appuyant sur

les méthodes propres à ces domaines, le rôle de GIPSA-lab est de contribuer aux avan- cées théoriques et appliquées pour le traitement de l’information, la communication et le contrôle des systèmes.

La spécificité de nos approches scientifiques tient dans la relation étroite qui existe entre caractérisation des données observées et spécification des modèles élaborés. Et cette spécificité s’appuie sur une forte dimension expérimentale, qui se traduit par la présence de près de 1000 m

²

de plateformes (dont deux sont labellisées « Equipement d’excel- lence » du Programme d’Investissement d’Avenir) permettant de tester et valider les modèles élaborés dans les domaines qui nous sont propres : automatique, signal, image et communication parlée.

Au regard des critères officiels d’évaluation de la recherche, production scientifique, rayonnement, impact économique et sociétal, formation par la recherche et enseigne- ment, GIPSA-lab a su construire sa reconnaissance scientifique de haut niveau. Elle se traduit aujourd’hui par quatre chaires financées par l’Institut universitaire de France, quatre bourses européennes d’excellence (ERC Advanced Grants), de nombreux prix et distinctions, ainsi que par une forte attractivité pour le recrutement de nouveaux chercheurs (en 10 ans, 17 chercheurs et 15 enseignants-chercheurs ont rejoint le la- boratoire), par l’accueil de chercheurs invités nationaux et internationaux, et par des séjours de moyenne ou longue durée pour nos chercheurs à l’étranger (Angleterre, Argentine, Australie, Belgique, Etats-Unis, Italie). Ce fort rayonnement s’illustre égale- ment par notre implication dans le laboratoire d’excellence PERSYVAL-lab, dans l’Unité mixte internationale LAFMIA au Mexique, dans la création récente du Laboratoire inter- national associé GEODESIC avec l’Australie, ainsi que par notre participation sur les smartgrid au sein du réseau international franco-singapourien GDRI SINERGIE pour les énergies renouvelables.

Le rayonnement de GIPSA-lab se mesure aussi par les partenariats qu’il a su construire et entretenir avec de grands organismes institutionnels (Inria, CEA, CSTB, IFP Energies Nouvelles, ONERA, CHU Grenoble, DGA), avec des grands groupes industriels comme EDF, Total, Thalès, SAFRAN, Renault, Alstom, Schneider Electric, ST Microelectronics, mais aussi avec de nombreuses PME. Source de questions ou de problématiques nou- velles, qui nourrissent nos recherches tout en répondant à des besoins concrets, ces partenariats sont également source de financements non négligeables pour le labora- toire, car ils représentent chaque année un volume de 800 000 euros sur un budget total (non consolidé) de 4,6 millions d’euros.

Enfin, GIPSA-lab a toujours porté une attention particulière à sa mission de formation par la recherche. Avec plus de 30 nouveaux doctorants accueillis chaque année, ce sont près de 350 doctorants qui ont été formés au laboratoire en 10 ans, dont 35 % dans le cadre d’un partenariat international ou industriel (bourse CIFRE).

Sans aucun doute, la pluridisciplinarité de GIPSA-lab, dont la lecture peut, aux yeux de nouveaux partenaires, paraitre complexe, est un atout formidable pour s’ouvrir vers de nouveaux questionnements scientifiques mais aussi pour résoudre des verrous répon- dant aux défis technologiques de demain.

Jean-Marc CHASSERY, Jean-Michel DION, Jean-Marc THIRIET,

directeurs successifs de GIPSA-lab de 2007 à 2016

Ressources humaines : 400 personnes dont :

.

150 chercheurs

et enseignant-chercheurs permanents

.

150 doctorants et post-doctorants

.

40 ingénieurs et techniciens

Ressources financières :

Budget annuel global (hors salaires) de 4,6 millions d’euros dont :

.

0,6 million d’euros en dotations récurrentes

.

3,2 millions d’euros en programmes nationaux et internationaux

. 0,8 million d’euros en contrats industriels

Les équipes de recherche

à GIPSA-lab

10

Les expertises scientifiques

à GIPSA-lab

12

Les expertises scientifiques à GIPSA-lab

Les grands enjeux de demain

Les défis technologiques à relever ^*

1.

* Ces textes sont extraits et résumés du rapport « Technologies clés 2020-Industrie du futur », DGE, ministère de l’économie et des finances, 2016

Nous développons des méthodes de reconstruction de géométrie de réseaux de capteurs passifs (excités par les perturbations de bruit ambiant, ou des signaux d’opportunité) qui sont soit eux-mêmes en mouvement, soit sur un milieu évolutif. Basées sur l’estimation de distance entre paires de capteurs ces nouvelles approches s’appliquent à la surveillance de structures ou de milieux à grande échelle.

RECONSTRUCTION DE GÉOMÉTRIE DE RÉSEAUX DECAPTEURS

Nous travaillons sur l’optimisation dynamique de nouveaux procédés grâce à des méthodes robustes de réduction de modèle qui intègrent à la fois les paramètres énergétiques, opératoires, de conception et de rapport qualité/

coût du produit. Cette approche a notamment été appliquée à la mise au point d’un four multi- énergie innovant pour la boulangerie, secteur dont le poste cuisson est le plus consommateur d’énergie.

OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUE DES PROCÉDÉS

Nous développons des algorithmes et des méthodes avancées de segmentation, de classification, de débruitage ou de séparation de sources pour le traitement d’images à très haute résolution (spatiale ou spectrale). Ces outils sont utiles en agriculture de précision pour identifier les cultures, caractériser finement leur état de croissance, détecter la présence de parasites, de stress hydrique ou afin de prévoir la production.

TÉLÉDÉTECTION ET IMAGERIE HYPERSPECTRALE

Nous travaillons sur les nombreux défis liés à la robotique aérienne et notamment sur

les drones. Nos recherches portent sur leur système de contrôle, de navigation

et d’évitement d’obstacles par vision stéréoscopique, sur l’analyse des données

acquises par les capteurs embarqués, ainsi que sur les drones de contact et les bras

manipulateurs embarqués. Nous adaptons nos expérimentations selon les différents

contextes d’application.

ROBOTIQUE MOBILE ET AÉRIENNE

Nous sommes membre de l’Equipex Robotex (PIA), plateforme nationale pour la robotique mobile et aérienne

Création du chapitre français Geoscience and Remote Sensing de l’IEEE Society en 2007 IEEE GRSS Chapter Excellence Award en 2010

Nous possédons une plateforme expérimentale, MOCA, pour la capture de mouvement et adaptée à la robotique aérienne

Augmentation population Sous-alimentation de certaines régions Changement climatique

Changements des habitudes alimentaires

Qualité des produits

Développement durable

Volatilité des prix du marché Sous-alimentation de certaines régions

Changement climatiqueChangements

des habitudes

alimentaires

Qualité des produits

Respect de l’environnementDéveloppement durable

Volatilité des prix du marchéRèglementation Augmentation population

Sous-alimentation de certaines régions

Respect de l’environnement Développement durable

Règlementation Augmentation population

Sous-alimentation de certaines régions Changement climatique

Changements des habitudes alimentaires

Qualité des produits

Respect de l’environnement

Volatilité des prix du marché

Règlementation Augmentation population

Changement climatique

Changements des habitudes alimentaires

Qualité des produits Respect de l’environnement

Développement durable Règlementation

Augmentation de la population

Respect de l’environnement Changements des habitudes alimentaires

Qualité des produits

Changement climatique

Règlementation Sous-alimentation de certaines régions

Alimentation

L

a mise en place d’une agriculture numérique et de précision est essentielle pour relever les nouveaux défis de la filière. Afin notamment d’optimiser les rende- ments et les investissements, en tenant mieux compte des variabilités des milieux et des conditions entre différentes parcelles ou à l’échelle intra-parcellaire. Un meilleur suivi des cultures permettra également de ré- duire les intrants phytosanitaires et d’optimiser l’irriga- tion. Cette surveillance repose sur l’utilisation de nou- velles technologies telles que l’imagerie satellitaire et l’informatique, ou encore sur des moyens de localisation par satellite de type GPS.

Le marché de l’agriculture numérique est en hausse constante, pour des applications variées : gestion et optimisation de la production, minimisation des risques, optimisation de la gestion phytosanitaires des parcelles grâce aux drones et aux objets connectés (puces, capteurs…). Parallèlement, le développement de l’offre d’objets connectés destinés aux consommateurs est une réponse à des enjeux clés pour ces derniers : tra- çabilité des aliments, croisement entre nutrition et santé, gestion des stocks, etc.

Enfin, de nouveaux procédés de production doi- vent progressivement être mis en place. Consomma- teurs de temps et d’énergie, les gestes de découpe doivent par exemple être optimisés et leur efficacité énergétique améliorée. Cela passe notamment par le développement d’outils de reconnaissance 3D pour les produits les plus complexes, ou encore par l’amé- lioration des procédés de chauffage et de stérilisa- tion afin de préserver les micro-organismes d’intérêt.

Les technologies d’impression 3D permettraient d’amé- liorer l’efficacité des productions actuelles, de fabriquer de nouveaux produits ou de répondre à de nouvelles demandes telles que la fabrication à domicile.

Les expertises scientifiques à GIPSA-lab

14

1.

* Ces textes sont extraits et résumés du rapport « Technologies clés 2020-Industrie du futur », DGE, ministère de l’économie et des finances, 2016

Les grands enjeux de demain

Les défis technologiques à relever ^*

Nous élaborons des protocoles de prévention des troubles de

la voix et de la parole dans des contextes à fort risque d’altération. Nous les testons en milieu scolaire avec les enseignants, et en milieu hospitalier pour l’évaluation de la morbidité vocale

liée à une chirurgie.

Nous étudions la biomécanique et le contrôle neurosensorimoteur chez l’homme en associant des technologies de capture des mouvements, d’électromyographie, de neuro-imagerie et d’immersion sensorielle.

Les données cliniques recueillies sont analysées par des méthodes de traitement du signal et d’automatique pour une modélisation des fonctions de contrôle et d’optimisation de la motricité humaine dans un cadre expérimental à

visée thérapeutique.

Nous avons conçu des nouvelles méthodes de séparation de sources qui permettent de voir, de façon non invasive, l’activité cardiaque du fœtus à partir de capteurs électriques et/ou acoustiques situés sur le ventre ou le torse de la mère. En exploitant des informations a priori très simples, comme la quasi-périodicité du signal cardiaque, nous avons montré qu’il était possible avec un seul capteur de séparer les signaux cardiaques de jumeaux.

Nous étudions

des méthodes de perception multi-sensorielle à l’aide de capteurs embarqués pour analyser des scènes de l’environnement humain. Ces méthodes sont utilisées pour développer des robots compagnons capables de s’inquiéter de l’état d’une personne en situation de fragilité.

Elles sont aussi adaptées pour développer des systèmes de substitution sensorielle pour l’aide aux personnes en situation de handicap visuel.

SÉPARATION DE SOURCES ECG

ANALYSE BIOMÉCANIQUE ET

OPTIMISATION DU MOUVEMENT

Nous développons des outils d’analyse comportementale et de remédiation pour faciliter la communication vocale et l’accès au langage dans le cas de troubles de l’audition (implants cochléaires, surdité progressive).

Ces outils utilisent l’apport de la vision

et de modes de communication augmentée (Langage parlé complété).

Ils guident la rééducation et l’apprentissage de stratégies facilitant la communication notamment en situation difficile (bruit).

HANDICAP SENSORIEL

ET REMÉDIATION

PRÉVENTION DES TROUBLES

DE LA VOIX ET DE LA PAROLE

PERCEPTION MULTI-SENSORIELLE

POUR LA ROBOTIQUE

Nous développons des outils d’évaluation, de modélisation, de diagnostic, de remédiation pour les patients porteurs de troubles de la parole liés à des pathologies telles que trisomie 21, bégaiement, cancers oro-faciaux, maladie de Parkinson, maladie d’Alzheimer.

Ces outils destinés aux professionnels de santé permettent d’objectiver leurs pratiques et d’optimiser leurs méthodes.

Nous nous intéressons au traitement du signal sur graphes, de la modélisation et de l’inférence, à la mise au point de nouvelles métriques de graphes. Appliqués

à la connectivité cérébrale, les algorithmes que nous développons permettent d’étudier

la circulation de l’information dans le cerveau au repos et de caractériser les

dysfonctionnements de ces réseaux pour les patients avec des désordres de la

conscience, tel qu’un traumatisme crânien.

GRAPHES ETACTIVITÉS CÉRÉBRALES

Nous

développons des

systèmes de « retour articulatoire visuel » permettant à une personne de

visualiser ses propres mouvements articulatoires, et notamment ceux de sa langue, à destination de l’orthophonie ou de l’apprentissage des langues.

Ces systèmes reposent sur un avatar 3D animé en temps-réel soit à partir d’échographies de son conduit vocal soit directement à partir de sa voix, à l’aide d’un algorithme d’apprentissage statistique.

RETOUR VISUEL ARTICULA

TOIRE

Nous sommes co-fondateur et co-pilote du Pôle Grenoble Cognition : fédération de recherche regroupant

les équipes en sciences cognitives grenobloises ERC Advanced Grant SPEECH UNIT(E)S (unité multisensori-motrice de la parole) porté par

Jean-Luc SCHWARTZ, directeur de recherche CNRS

Nous sommes membre de l’Institut Cognition labellisé Tremplin Carnot (dimension nationale) Allongement de la durée de vie

Maladies chroniques

Adaptation du système de soins

Maitrise des dépenses de santé Maitrise des dépenses de santé

Nouveaux moyens de diagnostics

Vieillissement

Maladies orphelines et rares Maladies infectieuses et parasitaires

Nouveaux moyens de diagnostics Maladies orphelines et rares

Maladies infectieuses et parasitaires

Allongement de la durée de vie

Maladies chroniques

Maladies chroniques

Nouveaux moyens de diagnostics

Vieillissement

Maladies orphelines et rares

Maladies infectieuses et parasitaires

Allongement de la durée de vie

Allongement de la durée de vie

Maladies chroniques

Adaptation du système de soins

Maitrise des dépenses de santé Nouveaux moyens de diagnostics

Vieillissement

Maladies orphelines et rares

Maladies orphelines et rares

Maladies infectieuses et parasitaires

Allongement de la durée de vie

Maladies chroniques

Maladies chroniques

Adaptation du système de soins

Adaptation du système de soins

Maitrise des dépenses de santé Nouveaux moyens de diagnostics

Vieillissement

Maladies orphelines et rares Maladies orphelines et rares

Maladies infectieuses et parasitaires

Allongement de la durée de vie

Maladies chroniques Adaptation du système de soins

Maitrise des dépenses de santé Nouveaux moyens de diagnostics

Vieillissement

Maladies orphelines et rares Maladies infectieuses et parasitaires

augmentation des besoins en matière de santé nécessite une adaptation du système de soins et le dé- veloppement de nouveaux moyens de diagnostics, de traitement ou d’accompagnement des patients. Outre le secteur de la pharmacie et des thérapies médicamen- teuses innovantes, les objets connectés, le big data et l’ingénierie médicale, sont les grands défis technolo- giques à relever pour la santé de demain.

Les objets connectés pour la santé ou pour le bien être vont bouleverser la pratique médicale et l’offre de soins.

Le développement de balances connectées, bracelets connectés ou de dispositifs médicaux tels que des sté- thoscopes connectés, des lecteurs de glycémie ou ten- siomètres connectés repose notamment sur l’améliora- tion des performances des capteurs, biocapteurs ou capteurs complexes. La miniaturisation continue d’être un enjeu fort afin d’obtenir des capteurs plus faciles à intégrer pour un patient.

La valorisation numérique des données, toujours plus croissantes, à l’échelle du patient comme à celle d’une population, devient un défi technologique qu’il faut éga- lement relever. Des avancées importantes doivent être

produites sur les questions de stockage de données massives, de traitement et qualité des données pro- duites, du traitement temps réel mais aussi sur les ques- tions de sécurité et d’anonymisation des données.

En matière de technologies pour le diagnostic, l’ima- gerie pour la santé doit connaitre des évolutions afin de répondre à un certain nombre de défis tels que l’in- teropérabilité et la standardisation de communication des systèmes, le traitement d’images multimodales provenant de systèmes différents ou l’amélioration des outils d’analyses et de traitement du signal et des images.

Enfin, que ce soit pour assister l’homme dans une tâche ou pallier un handicap, les défis en robotique ou co- botique reposent notamment sur l’implémentation de systèmes intégrant des paramètres de planification et de commande mais aussi ceux issus du système co- gnitif humain tels que la perception, la préhension, l’apprentissage. Les interfaces cerveau-machine ou les questions d’interaction homme-robot constituent aujourd’hui des terrains d’exploration très prometteurs.

’

Maladies chroniques

Santé-Bien être

CARACTÉRISA TION ET REMÉDIA

TION DES TROUBLES DELA PAROLE

L

16

Les expertises scientifiques à GIPSA-lab

1.

* Ces textes sont extraits et résumés du rapport « Technologies clés 2020-Industrie du futur », DGE, ministère de l’économie et des finances, 2016

Les grands enjeux de demain

Les défis technologiques à relever ^*

Nous développons des méthodes autour de la sûreté de fonctionnement et de la cyber-sécurité des systèmes industriels. Aux méthodes classiquement utilisées pour protéger des systèmes informatiques, nous prenons en compte l’état courant et la dynamique du système à protéger, notamment à des moments où celui-ci est le plus vulnérable. Nous appliquons ces méthodes aux SmartGrid pour la sécurité des réseaux électriques ainsi que pour les drones.

SÉCURITÉ DES RÉSEAUX DE

COMMUNICA

TION

Nous développons des lois de commande et des algorithmes pour l’anonymisation

dynamique et la protection adaptative multicritère des données de géolocalisation pour les utilisateurs de la nouvelle génération de services numériques. Les solutions que nous proposons permettent d’offrir en temps réel, dans un environnement dynamique et hétérogène, des garanties de niveau de protection de la vie privée des utilisateurs, tout en conservant le niveau d’utilité du service.

ANONYMISA TION DES DONNÉES Nous développons des

techniques d’estimation, de

détection et de classification basées notamment sur l’analyse spectrale de données multimodales (vibratoires, électriques, acoustiques) pour la surveillance continue d’un système tel qu’une éolienne ou

une machine à papier. Ces outils permettent de détecter une évolution de la condition du système

avec un degré de sévérité du défaut et sa localisation pour une aide à la décision.

AIDE À LA MAINTENANCE PRÉVENTIVE DESMACHINES

INDUSTRIELLES

Nous développons des méthodes nouvelles de caractérisation de phénomènes rares et parcimonieux (excès de température, déformation de structure identifiable pendant quelques heures sur un enregistrement d’une année) à partir d’enregistrements issus d’une fibre optique. Des algorithmes de séparation de sources, de réduction de rang sont utilisés pour détecter et labelliser ces phénomènes rares. Ils ont été implémentés sur la détection de fuites dans des digues.

DÉTECTION DE PHÉNOMÈNES PARCIMONIEUX

Nous développons des approches stochastiques pour modéliser les phénomènes de détérioration de structures et de systèmes, en prenant en compte l’ensemble des facteurs influents (stress

environnemental, charge, conditions d’utilisation). A partir des informations de

surveillance, ces modèles de détérioration permettent d’estimer la durée de vie résiduelle

des systèmes et d’optimiser ainsi les décisions de maintenance prédictive.

DÉTÉRIORA TION ET DURÉE DE VIE

RÉSIDUELLE DESSYSTÈMES

Les capteurs en réseaux

peuvent être utilisés pour surveiller l’activité sismique ou la santé de grandes structures. Les communications entre les capteurs sont les éléments les plus coûteux en énergie. Nous développons des algorithmes de traitement du signal (localisation de sources, analyse des milieux de propagation) fondés sur les données très fortement compressées, de sorte à minimiser la consommation d’énergie des réseaux et à allonger leur durée de vie.

Nous développons des outils de détection et de caractérisation des falsifications dans les images numériques, principalement à l’aide de méthodes statistiques ou d’apprentissage profond. Nous portons une attention particulière à la localisation de ces falsifications, afin d’accéder à leur sémantique. Ces outils cherchent aussi à détecter les éventuelles contre-mesures mises en œuvre par le falsificateur.

DÉTECTION DE FALSIFICATIONS

DANS LES IMAGES

Participation à la création de l’International Society for Condition Monitoring

Animation du Technical Committee on Maintenance Modelling and Applications de l’European

Safety and Reliability Association Insécurité urbaine

Insécurité urbaine Insécurité urbaine

Règlementation

Protection des données

Risques naturels

Cyber-risques

Risques technologiques et NaT ech Risques technologiques et NaT

ech

Terrorisme

Insécurité urbaine

Règlementation Règlementation

Règlementation

Protection des données

Risques naturels

Cyber-risques

Risques technologiques et NaT ech

Terrorisme Terrorisme

Insécurité urbaine

Règlementation

Protection des données Protection des données

Protection des données

Risques naturels

Risques naturels Risques naturels

Cyber-risques

Risques technologiques et NaT ech

Terrorisme

Insécurité urbaine

Insécurité urbaine

Insécurité urbaine Insécurité urbaine

Règlementation

Protection des données

Risques naturels

Cyber-risques

Risques technologiques et NaT ech Risques technologiques et NaT

ech

Terrorisme

Insécurité urbaine

Règlementation Règlementation

Règlementation

Protection des données

Risques naturels

Cyber-risques

Risques technologiques et NaT ech

Terrorisme Terrorisme

Insécurité urbaine

Règlementation

Protection des données Protection des données

Protection des données

Risques naturels

Risques naturels Risques naturels

Cyber-risques

Risques technologiques et NaT ech

Terrorisme

Sécurité

Insécurité urbaine

Règlementation Protection des données

Risques naturels Cyber-risques

Risques technologiques et NaT ech Terrorisme

a sécurité regroupe les enjeux de la prévention et la protection face aux risques, qu’ils soient naturels, technologiques, ou sanitaires (biosécurité), mais aussi la lutte contre les « cyber-risques » (piratage informatique, protection des données personnelles, des données stratégiques ou sensibles).

La connectivité au sein de la société étant de plus en plus croissante, les technologies de protection des don- nées deviennent stratégiques, que ce soit en amont via l’authentification, ou lors du transfert de données via les technologies de communication sécurisée ou la cryptographie. Outre le développement des infrastruc- tures, des systèmes résilients capables de continuer à fonctionner même en mode dégradé doivent être mis en place. Tout comme des systèmes sécurisés par des méthodes de chiffrement, de cryptographie et de cyber- protection.

La valorisation des données massives dans le do- maine de la sécurité informatique impose des moyens de surveillance des réseaux, d’authentification et d’au- torisation des utilisateurs, de gestion des identités, de détection des fraudes, des contrôles de sécurité, etc.

La mise en place de techniques d’anonymisation des données permettrait de développer à son maximum la

valorisation des données massives tout en traitant les informations dans un cadre de protection adéquat.

Si la réalité virtuelle et la réalité augmentée sont des technologies utilisées pour la sécurité civile et militaire pour la mise en situation (exercice de gestion de crise, formation du personnel) et l’immersion, l’intelligence ar- tificielle et l’analyse comportementale viennent quant à elles faciliter le traitement des informations et la décision face à l’affluence de données liée à l’augmentation de la surveillance.

Les risques liés à l’environnement (NaTech) sont égale- ment un enjeu pour le marché de la sécurité : séismes, glissements de terrain, avalanches, inondations, pré- sence de grands ouvrages… Des méthodes de monito- ring doivent être mises en place pour permettre la main- tenance préventive des infrastructures sensibles.

L’observation satellitaire peut également jouer un rôle intéressant dans cette perspective. Enfin, la robotique se développe dans le champ de la sécurité, avec des drones pour la surveillance des sites industriels et la surveillance environnementale, ou encore la cobotique pour l’assistance à personne.

TRAITEMENT DE L’INFORMA

TION COMPRESSÉE POUR LES CAPTEURS EN

RÉSEAUX Nous

développons des méthodes à base

d’apprentissage s’appuyant sur des informations conjointes de texture, de mouvement et de couleur extraites de vidéos pour détecter les tentatives de leurrage des systèmes de biométrie faciale par présentation de faux visages (photo imprimée, vidéo sur un smartphone, masque).

BIOMÉTRIE FACIALE

L

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Les expertises scientifiques à GIPSA-lab

1.

* Ces textes sont extraits et résumés du rapport « Technologies clés 2020-Industrie du futur », DGE, ministère de l’économie et des finances, 2016

Les grands enjeux de demain

Les défis technologiques à relever ^*

Nous avons

développé des méthodes capables d’améliorer considérablement la sélectivité de capteurs chimiques ou de gaz. Le principe repose sur la diversité, avec l’utilisation de plusieurs capteurs ou conditions expérimentales, et des méthodes de séparation de sources adaptées à des mélanges fortement non-linéaires qui caractérisent ce type de capteurs. Les applications possibles concernent la détection de molécules polluantes dans l’eau ou dans l’air.

CAPTEURS CHIMIQUES SÉLECTIFS

Nous développons des méthodes de traitement d’antennes, des algorithmes de séparation de sources, de déconvolution et des modèles de filtrage multidimensionnel pour le traitement des signaux enregistrés à partir de capteurs multicomposantes (en réseau ou non) et d’hydrophones. Appliqués au domaine des géosciences (séismes notamment), ces outils permettent de caractériser des champs d’onde pour identifier et apporter une expertise aux géophysiciens.

SURVEILLANCE DES MILIEUX

NATURELS

Nous développons des méthodes, des algorithmes et des modèles de filtrage, de segmentation non supervisée et d’assimilation pour le traitement des images radar

haute résolution spatiale. Appliqués à la cryosphère (neige, glace et glaciers), ces outils permettent de quantifier l’équivalent en eau de la neige, de mesurer le mouvement de surface des glaciers et le déplacement des icebergs en Arctique.

IMAGERIE SATELLITAIRE

RADAR

ERC Advanced Grant DECODA (Tensor Decompositions for Data Analysis) porté par Pierre COMON, directeur de recherche CNRS

Les décompositions

de tenseurs non négatifs que nous étudions permettent de développer des algorithmes capables d’isoler les

caractéristiques de plusieurs composés fluorescents dans l’eau ou les urines, sans les connaître à l’avance.

Des polluants très toxiques, tels que les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques, considérés par l’OMS comme les plus dangereux, peuvent ainsi être détectés et identifiés même à faible concentration.

ALGÈBRE TENSORIELLE POUR L’IDENTIFICA

TION DE POLLUANTS

Nous développons des méthodes algorithmiques

d’observateurs d’état à base de modèles dynamiques et d’analyse de sensibilité pour la surveillance de systèmes de transport fluide. Ces méthodes permettent de détecter et de localiser des défauts à partir d’un nombre très réduit de mesures. Elles ont été appliquées aux pipelines et peuvent être étendues

aux réseaux de distribution. Elles sont également utilisables en surveillance hydrologique.

SURVEILLANCE ET OPTIMISATION DES

RÉSEAUX D’EAU

Nous développons des méthodes permettant une

analyse fine de la biophonie (sons issus du benthoscope, des mammifères marins), de la géophonie (vent, glace, marées, séismes) et de l’anthropophonie (activité humaine) reposant sur des algorithmes de détection et de classification par méthode d’apprentissage statistique. Ces outils fournissent des informations pertinentes à tous les

acteurs des milieux marins.

OBSERVATION DES MILIEUX MARINS PAR ACOUSTIQUE

SOUS-MARINE

Environnement

Qualité de l’air Gestion des déchets

Protection des sols

Efficacité écologique des technologies de gestion durable

Qualité de l’air

Gestion des déchets Protection des sols

Efficacité écologique des technologies de gestion durable Gestion et qualité de l’eau

Qualité de l’air Gestion des déchets

Protection des sols

Efficacité écologique des technologies de gestion durable

Gestion et qualité de l’eau

Gestion des déchets

Protection des sols

Gestion et qualité de l’eau

Qualité de l’air Gestion des déchets

Protection des sols

Efficacité écologique des technologies de gestion durable Gestion et qualité de l’eau

Qualité de l’air Gestion des déchets

Protection des sols

Gestion et qualité de l’eau

Qualité de l’air Qualité de l’air Gestion des déchets

Protection des sols

Efficacité écologique des technologies de gestion durable Qualité de l’air

Protection des sols

Efficacité écologique des technologies de gestion durable Gestion et qualité de l’eau

Qualité de l’air Gestion des déchets Protection des sols

Efficacité écologique des technologies de gestion durable

ors que la consommation d’eau mondiale devrait augmenter dans les prochaines années, assurer l’accès à une eau de qualité en quantité suffisante aux popula- tions et divers secteurs d’activité est devenu un enjeu sociétal majeur. Le développement de capteurs sans fil, autonomes, multi-paramètres et à coût maîtrisé consti- tue un défi de premier plan pour collecter les données nécessaires à une meilleure gestion de l’eau, limiter le gaspillage, optimiser l’irrigation, etc.

L’interopérabilité entre les systèmes d’informatique dé- cisionnelle utilisés pour la gestion intelligente de l’eau et les équipements de mesure/contrôle sur le ter- rain, afin d’éviter les systèmes « captifs » d’une marque unique, représente un second défi. La précision des données collectées reste par ailleurs un champ de re- cherche prioritaire, quel que soit l’usage de l’eau, do- mestique ou industriel.

Autre enjeu environnemental d’importance : l’amélio- ration de la qualité de l’air, laquelle passe par une ré- duction des gaz à effet de serre et des polluants. Le perfectionnement des techniques de mesure de la composition de l’air, mais aussi de captage et de fil- tration des particules, ou encore le développement de drones urbains peuvent y contribuer.

Nécessaires aux équilibres environnementaux pour la protection de la biodiversité ou le stockage du CO2, les sols constituent quant à eux une ressource essen- tielle à la croissance économique. Leur dépollution est notamment possible par des traitements biologiques (utilisation de bactéries), des traitements par extraction (chauffage des sols pour volatilisation des polluants) et par confinement / encapsulation. Parallèlement, l’usage de drones et l’imagerie satellitaire se développent pour observer l’étalement urbain, dans une optique de lutte contre l’artificialisation des sols. Enfin, une meil- leure gestion des déchets reposant sur la prévention, le recyclage, et l’amélioration des conditions de leur élimi- nation finale est essentielle.

Que ce soit pour la surveillance de la qualité de l’eau, de l’air ou des sols, des technologies de diagnostic rapide sont nécessaires. Elles permettent de collecter et traiter des données issues de différentes « matrices » dans un laps de temps court, voire en temps réel pour des diagnostics en continu. Parce qu’elles permettent d’évaluer les pollutions et d’anticiper les besoins en trai- tement, elles facilitent à terme l’aide à la décision via la mise en place d’indicateurs (chimiques, bioindicateurs, biomarqueurs).

Nous élaborons des modèles reposant sur des techniques de commande multi-objectif, des capteurs logiciels et observateurs, permettant de réguler en temps réel la quantité de polluants rejetés par des procédés, tout en

maintenant la production à un coût optimal.

Ces méthodes s’appliquent au traitement de la pollution des eaux urbaine et industrielle, des

rejets de NOx des incinérateurs ou des procédés de gazéification.

ECO-CONDUITE

DES PROCÉDÉS

ENVIRONNEMENT

L

AUX

Nous avons développé un nouveau modèle pour l’étude des gaz atmosphériques

reconstruit, par les glaciologues*, dans les carottes polaires. Ce modèle combine une modélisation physique du transport (EDP à paramètres variant dans l’espace) avec des méthodes dédiées d’inversion dynamique à partir de mesures éparses. Il a permis de reconstruire des scénarios atmosphériques, et d’interpréter les données de plusieurs laboratoires dans le monde.

* LGGE, Grenoble

MODÉLISA TION DU TRANSPORT DES GAZ TRACES DANS LA GLACE

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Les expertises scientifiques à GIPSA-lab

1.

* Ces textes sont extraits et résumés du rapport « Technologies clés 2020-Industrie du futur », DGE, ministère de l’économie et des finances, 2016

Les grands enjeux de demain

Les défis technologiques à relever ^*

Nous avons élaboré et implémenté sur une plateforme expérimentale des algorithmes de synthèse de contrôleurs embarqués pour le contrôle de ventilation d’un bâtiment intelligent.

Ces travaux visent à améliorer l’efficacité énergétique du bâtiment en régulant la qualité de l’air via un réseau de capteurs et de ventilateurs interconnectés. La complexité du système tient dans les exigences de performance, l’adaptabilité,

la robustesse et le passage à l’échelle.

QUALITÉ DE L’AIR INTÉRIEUR

Le défi de la gestion des réseaux intelligents, où cohabitent des sources d’énergies renouvelables et traditionnelles, des moyens de stockage et des usagers, s’exprime en termes de taux de pénétration des renouvelables, du maintien de la qualité de service et du degré de modularité des solutions permettant un usage Plug &

Play des différentes composantes. Nos travaux sur le sujet s’appuient sur notre expertise en optimisation distribuée et en certification probabiliste.

MICROGRID ET RÉSEAUX INTELLIGENTS

Nous avons implémenté des algorithmes avancés de commande prédictive distribuée sur la « RoomBox » commercialisée par Schneider Electric dans le but de réduire

le coût de la consommation d’énergie à l’échelle d’une habitation. Nos approches ont

permis de lisser les pics de consommation tout en améliorant le confort, avec un gain du

coût de consommation de l’ordre de 15 %.

COMMANDE PRÉDICTIVEDISTRIBUÉE POUR

LA DOMOTIQUE

Pour estimer les paramètres modaux d’un signal lidar terrestre, nous avons développé une méthode automatique basée sur une technique de décrément aléatoire sans filtrage et un maximum de vraisemblance par recuit simulé.

L’objectif est de surveiller à grande distance un bâtiment pour caractériser son endommagement.

Lorsque celui-ci est excité par le bruit sismique ambiant, nous suivons toutes les composantes fréquentielles de vibration qui sont proches, non- stationnaires et noyées dans un bruit important.

SISMOLOGIEVILLE SOUS : SURVEILLANCE

Habitat

Consommation énergétique du bâtiment

Gestion des déchets

Impact environnemental des matériaux

Accessibilité des bâtiments Building Information Modeling

Qualité de l’air intérieur

Qualité de l’air intérieur

Consommation énergétique du bâtiment

Impact environnemental des matériaux

Accessibilité des bâtiments

Qualité de l’air intérieur

Consommation énergétique du bâtiment

Gestion des déchets

Accessibilité des bâtiments

Building Information Modeling

Qualité de l’air intérieur

Consommation énergétique du bâtiment

Gestion des déchets

Impact environnemental des matériaux

Accessibilité des bâtiments

Building Information Modeling Qualité de l’air intérieur

Gestion des déchets Accessibilité des bâtiments

Building Information Modeling

Qualité de l’air intérieur

Consommation énergétique du bâtiment

Gestion des déchets

Impact environnemental des matériaux

Accessibilité des bâtiments

Building Information Modeling

Qualité de l’air intérieur

es enjeux liés à l’habitat sont aujourd’hui forte- ment liés aux questions environnementales. Ils se posent en termes de consommation d’énergie, de conception bioclimatique et de matériaux durables.

Si la performance énergétique des matériaux et les techniques d’isolation sont au cœur des techniques de la construction ou de la rénovation, la conception des systèmes de chauffage et des systèmes de régulation représente un enjeu important pour l’avenir du secteur mais également pour l’usager.

Concernant les technologies de chauffage, les efforts portent surtout sur l’intégration de plusieurs sources d’énergie. A l’échelle du bâtiment (microgrid) ou à l’échelle d’un quartier (smartgrid), il s’agit d’optimiser les consommations, de prendre en compte la diversité des sources de production d’énergie et de les distribuer d’une façon optimale selon les besoins.

L’Internet des objets et notamment la domotique, avec des systèmes communicants et pilotables à distance, viennent assurer une gestion énergétique optimale du bâtiment.

Les technologies permettant à différentes échelles la conception (maquette numérique) et la simulation des bâtiments sont également nécessaires pour aider à sé- lectionner les meilleures solutions au meilleur coût, tant pour la construction que pour la gestion énergétique.

La maintenance prédictive se développe et permet de détecter un système qui commence à défaillir et op- timise le moment de son renouvellement pour réduire l’augmentation de consommation énergétique due à un système défaillant.

Nous développons des méthodes de localisation à partir de réseaux de capteurs mesurant la micro-sismicité due au

déplacement de personnes. La nature du milieu indoor (béton) rend les méthodes classiques de

traitement d’antenne inopérantes pour localiser le marcheur alors qu’une segmentation de l’espace, associée à chaque paire de capteurs et couplée à

un filtre de Kalman, rend possible la localisation d’un marcheur ou d’un impact de chute.

LOCALISATION INDOOR

L

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Les expertises scientifiques à GIPSA-lab

1.

* Ces textes sont extraits et résumés du rapport « Technologies clés 2020-Industrie du futur », DGE, ministère de l’économie et des finances, 2016

Les grands enjeux de demain

Les défis technologiques à relever ^*

Nous développons des méthodes d’analyse non-paramétriques (aiguillées par les données) des signaux transitoires pour la détection et la localisation des phénomènes de décharges ou d’arcs électriques dans les réseaux électriques.

Les solutions que nous proposons permettent d’assurer une surveillance non-supervisée et autonome du réseau ainsi qu’une localisation précise des points de défaut dans les réseaux.

DÉTECTION DES PHÉNOMÈNES TRANSITOIRES DANS LES

RÉSEAUX ÉLECTRIQUES

Nous étudions les systèmes d’énergie utilisant plusieurs sources parallélisées sur un bus de courant continu.

L’idée est de contrôler les variations de puissance de chaque source grâce à un critère d’optimisation H∞ exprimant les demandes d’exploitation des sources en liaison avec leurs fréquences caractéristiques (liées à la technologie de fabrication). L’objectif est de préserver la fiabilité et de prolonger la durée de vie de ces sources

d’énergie.

MICROGRID ET OPTIMISA

TION ÉNERGÉ -

TIQUE POUR VÉHICULESÉLECTRIQUES

En captant la puissance du vent en hautes altitudes, les éoliennes volantes sont des dispositifs très innovants et moins couteux en termes d’infrastructure, de transport et d’installation. Nos travaux (uniques en France) sur ce domaine s’appuient sur des méthodologies de modélisation, d’estimation et de commande qui doivent être robustes aux incertitudes de l’aérodynamique.

EOLIENNES VOLANTES

Nous travaillons sur la modélisation électrique et thermodynamique des batteries au Lithium (en particulier leur entropie), pour leur diagnostic et la surveillance de leur état de santé. Nous

proposons des approches alliant modélisation physique, estimation paramétrique, traitement

de données, apprentissage automatique, identification en ligne afin d’en caractériser les

performances et le vieillissement.

SURVEILLANCE DES SYSTÈMES

DE ST OCKAGE

Nous développons des méthodes automatiques de détection de structures multi-

échelles dans les réseaux, en s’appuyant sur la théorie du traitement du signal sur graphes. Ces méthodes peuvent en particulier s’appliquer à l’analyse des réseaux de distribution d’énergie, où une compréhension fine de leur structure permet d’ajuster les flux entre les lieux de production et de consommation et tendre ainsi vers des smartgrid.

APPRENTISSAGE DE STRUCTURES DANS DES

RÉSEAUX Nous

travaillons sur des méthodes de pilotage

pour l’amélioration de la production

hydroélectrique sur un ensemble d’ouvrages, en développant de nouveaux modèles dynamiques d’écoulement adaptés à l’opération des centrales, et en considérant des stratégies d’optimisation, comme de coordination de solutions décentralisées.

Ces approches visent à être utilisées pour les centrales au fil de l’eau ou les centrales de lac.

OPTIMISA TION DE LA PRODUCTION

HYDROÉLECTRIQUE

Start-up BLADETIPS ENERGY (éolienne offshore flottante sans mât) créée en 2017

Projet TRANSLOCATOR (localisation des défauts sur les câbles du réseau électrique) : projet en incubation au sein de la SATT Linksium

Projet MOTHRYS (systèmes de mesure et de surveillance des régimes transitoires dans les équipements hydrauliques) : projet en maturation au sein de la SATT Linksium

La commande des plasmas Tokamak est devenue un enjeu majeur pour le succès de la recherche sur la fusion magnétique et sera déterminante pour le projet international ITER. Nous développons de nouvelles méthodes concernant la

modélisation, l’identification et la commande de la dynamique interne du plasma et des profils radiaux.

Ces méthodes sont cruciales pour la stabilité et l’efficacité des opérations sur le Tokamak.

CONTRÔLE EN TEMPS RÉEL

DES PLASMAS T

OKAMAK

Énergie

Réduction des émissions de gaz à ef

fet de serre Capture et stockage du carbone

Efficacité énergétique dans l’industrie

Réduction des émissions de gaz à ef

fet de serre

Capture et stockage du carbone

Augmentation de la production d’énergies renouvelables Efficacité énergétique dans l’industrie

Réduction des émissions de gaz à ef

fet de serre

Capture et stockage du carbone

Augmentation de la production d’énergies renouvelables

Efficacité énergétique dans l’industrie

Réduction des émissions de gaz à ef

fet de serre

Capture et stockage du carbone

Augmentation de la production d’énergies renouvelables

Réduction des émissions de gaz à ef

fet de serre

Capture et stockage du carbone

Augmentation de la production d’énergies renouvelables

Efficacité énergétique dans l’industrie

Réduction des émissions de gaz à ef

fet de serre

Capture et stockage du carbone

Augmentation de la production d’énergies renouvelables

Efficacité énergétique dans l’industrie

e déploiement des réseaux électriques intelli- gents (REI) repose sur l’intégration de diverses tech- nologies : microgrid, système énergétique ilôté, équi- pements pour minimiser les pertes sur le réseau, et systèmes d’information sont au centre de la gestion in- telligente de l’électricité.

Des technologies de stockage centralisé et décentralisé sont nécessaires pour équilibrer la demande et l’offre, mais aussi pour faire croître la part des énergies renouve- lables dans le mix de production. Des technologies à base de capteurs sont nécessaires pour détecter les anoma- lies et les dégradations sur le matériel et la production.

Le développement de l’EPR (réacteur pressurisé euro- péen) et le démantèlement des centrales représentent les principaux enjeux pour le nucléaire. Ils reposent no- tamment sur les outils de modélisation et de simulation numérique mais aussi sur les avancées en neutronique, en thermohydraulique, dans le BTP ou en automatique pour le contrôle-commande des systèmes.

Les défis pour le solaire photovoltaïque se situent certes sur les cellules et les matériaux mais aussi sur la capa- cité à mieux gérer l’intermittence. La compensation des

fluctuations de l’énergie produite passe par le stockage, mais aussi par la modélisation des conditions atmosphé- riques et météorologiques, le développement de cap- teurs mesurant en temps réel les courants électriques.

Pour l’éolien, la problématique et les enjeux concernent la gestion de l’intermittence par le stockage, les maté- riaux, avec notamment les composites pour des pales légères, résistantes et flexibles et le remplacement de matériaux critiques utilisés dans les aimants perma- nents, l’amélioration de la furtivité aérodynamique, ou le développement de capteurs pour la surveillance à distance des équipements.

Première source d’énergie renouvelable, l’hydroélec- tricité, qui connaît actuellement une croissance expo- nentielle, joue un rôle indispensable de régulateur du réseau pour l’intégration des énergies intermittentes telles que l’éolien et le solaire. Les turbines hydrauliques doivent être en mesure de s’adapter rapidement à la plus grande variété de niveaux de puissance sur le ré- seau électrique. Ce besoin de flexibilité accrue repose sur des approches pluridisciplinaires faisant appel aux compétences en hydraulique, mécanique, matériaux, automatique, électrotechnique, capteurs,…

L

24

Les expertises scientifiques à GIPSA-lab

1.

* Ces textes sont extraits et résumés du rapport « Technologies clés 2020-Industrie du futur », DGE, ministère de l’économie et des finances, 2016

Les grands enjeux de demain

Les défis technologiques à relever ^*

Nous travaillons sur la prise de décision dynamique en maintenance, et sur l’élaboration et l’évaluation des politiques de maintenance prédictive. Nous développons des approches de décision visant à utiliser les informations sur la détérioration et la durée de vie résiduelle pour gérer au mieux l’état de santé et optimiser l’utilisation et la maintenance d’actifs (systèmes technologiques, infrastructures, flotte de systèmes, …)

PRISE DE DÉCISION EN MAINTENANCE

PRÉDICTIVE

Nous développons des systèmes d’aide à la conduite prenant en compte le comportement dynamique du véhicule (son évaluation et son contrôle), la détection du comportement et

de la performance du conducteur, les interactions avec les autres véhicules et les usagers de la route (camions, deux-roues, piétons) ainsi que le

diagnostic de défauts capteurs/actionneurs afin de garantir un comportement stable et efficace

du véhicule.

VÉHICULE AUTONOME

Nous travaillons sur la modélisation, l’observation et la commande des phénomènes de combustion dans les moteurs thermiques (chaîne d’alimentation en air et injection de carburant). Les outils proposés intègrent des approches de type modélisation 0D et 1D, sous forme d’EDP ou de systèmes à retard, d’identification non linéaire, d’observateurs à paramètres variants et de commande robuste. Elles permettent des réductions de taille des systèmes sans perte de performance.

DOWNSIZING DANS LES MOTEURS

THERMIQUES

Nous travaillons au

développement de méthodes originales de fusion de données

hétérogènes (données vidéo visage du conducteur et données environnementales véhicule) afin de prédire les phases de perte de vigilance d’un conducteur. La prise de décision s’appuie sur une phase d’apprentissage préalable. Nos algorithmes sont destinés à équiper les véhicules de conducteurs professionnels dans un but d’amélioration de leur sécurité.

AIDE À LA CONDUITE

Nous travaillons à la

modélisation, l’estimation et la commande des systèmes physiques complexes, en particulier du trafic routier. Nos algorithmes de prédiction du temps de parcours sont basés sur une agrégation de données historiques et

un prédicteur à la Kalman. Nous étudions ensuite la fluidification du trafic, avec des outils d’optimisation distribuée et des modèles agrégés qui exploitent les

réseaux sans échelle (scale-free networks).

PRÉDICTION ET OPTIMISATION

DU TRAFIC

Nous proposons des méthodes de commande multivariable des systèmes de suspension, freinage ou direction, afin de piloter le comportement dynamique des véhicules routiers pour améliorer leur confort et leur stabilité. Les approches sont développées dans un contexte robuste à paramètres variants pour modéliser des non-linéarités, diagnostiquer des situations critiques et faire varier en temps réel les performances en boucle fermée.

CONTRÔLE DE LA DYNAMIQUE DESVÉHICULES

Nous travaillons sur l’optimisation énergétique du vélo électrique en intégrant les paramètres bio-énergétiques du cycliste dans le système d’assistance électrique. Nos outils d’analyse et de modélisation des phénomènes physiologiques, mécaniques et biomécaniques du cycliste, nous permettent d’améliorer significativement le rendement des systèmes d’assistance en force pour vélo électrique mais aussi pour tout autre équipement

reposant sur le couple homme-machine.

VÉLO ÉLECTRIQUE

La plateforme Grenoble Traffic-Lab (unique en Europe)

permet l’observation et le suivi des données de trafic de la rocade Sud de Grenoble Projet FORSENS (prise en compte de la force humaine dans les systèmes motorisés) en maturation au sein de

la SATT Linksium

ERC Advanced Grant SCALE-FREEBACK (Scale-free Control for Complex Physical Network Systems) porté par Carlos CANUDAS-DE-WIT, directeur de recherche CNRS

Start-up EBike Lite France SAS (kits d’électrification de vélo) créée en 2016

Mobilité

Mobilité écologique et durable Réduction des émissions de CO2 de 50

%

Réduction des émissions de NOx de 80 %

Mobilité écologique et durable

Réduction des émissions de CO2 de 50 %

Réduction des émissions de NOx de 80 %

Mobilité écologique et durable

Réduction des émissions de CO2 de 50 %

Réduction des émissions de NOx de 80 %

Mobilité écologique et durable

Réduction des émissions de CO2 de 50 % Réduction des émissions de NOx de 80

%

Mobilité écologique et durable Réduction des émissions de CO2 de 50

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Réduction des émissions de NOx de 80 %

Mobilité écologique et durable

Réduction des émissions de CO2 de 50 % Réduction des émissions de NOx de 80

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Mobilité écologique et durable

Réduction des émissions de CO2 de 50 %

Réduction des émissions de NOx de 80 %

e transport est aujourd’hui responsable de 35 % des émissions de CO2. Pour réduire de 50 % les émis- sions de CO2 et de 80 % les émissions d’oxyde d’azote à l’horizon 2020, l’Europe se mobilise autour de solu- tions touchant l’ensemble des modalités de transport ou de logistique.

Les réglementations poussent les constructeurs à réin- venter les motorisations et la conception des véhicules : allègement des véhicules, utilisation de matériaux plus légers, chaines de traction hybrides.

Le véhicule électrique est en forte croissance et son dé- veloppement repose notamment sur les technologies de stockage de l’énergie avec notamment la batterie au lithium qui répond au mieux aux enjeux de ce type de véhicule en termes de capacité ou de détérioration mais aussi les piles à combustibles (hydrogène). Les Battery Monitoring Systems permettent de prolonger la durée de vie des batteries en les protégeant des défaillances notamment.

Le downsizing est aussi une piste intéressante pour réduire significativement les émissions de CO2.

Le véhicule autonome communicant est aujourd’hui un moteur de l’innovation dans la filière automobile. Outre les technologies d’assistance à la conduite, la multipli- cation des capteurs et les services connectés, l’innova- tion se focalise sur l’autonomisation des véhicules : au- tonomie de la prise de décision, actionneurs, capteurs, dans une problématique d’optimisation des coûts, de la sécurité ou d’interaction avec les usagers (conducteurs ou piétons).

En termes de mobilité urbaine, le Bus à Haut Niveau de Service (circulation sur voie propre), l’information multimo- dale (planification des itinéraires) et une meilleure ges- tion du trafic sont des réponses qui restent à explorer.

Concernant le rail et l’enjeu du TGV du futur, les verrous à lever se situent notamment sur les questions de résis- tance des voies/rails (matériaux, tribologie, nuisances sonores) pour en augmenter la vitesse, mais égale- ment sur les nouveaux systèmes de motorisation tels que l’AGV (Automotrice Grande Vitesse). Par ailleurs, les équipements passagers (design, connectivité et cli- matisation) et la sécurité (signalisation, interopérabilité et contrôle-commande robuste, pilotage automatisé) représentent des défis importants pour la filière.

L