Ingénierie de l information et robotique. Jacques Blanc-Talon Responsable du domaine scientifique (jusqu à fin 2010)

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1 Domaine 1 Ingénierie de l information et robotique Eva Crück Responsable adjoint du domaine scientifique Jacques Blanc-Talon Responsable du domaine scientifique (jusqu à fin 2010) Thèmes Communications Traitement d antenne, traitement du signal, radio logicielle, réseaux, sécurité informatique, protection de l information, réseaux de capteurs. Traitement et exploitation de l information Nouvelles modalités d imagerie, analyse d images, traitement de la vidéo, traitement du langage et des documents écrits, évaluation des traitements, traitement d information pour la sécurité globale, architectures de calcul hautes performances. Systèmes complexes Systèmes de systèmes, systèmes complexes à logiciel prépondérant, systèmes embarqués, systèmes distribués, vérification des systèmes, sûreté des langages de programmation. Commande de systèmes et des robots Planification et allocation, commande, robotique, systèmes cyberphysiques, calcul autonomique. Priorités Systèmes HEtérogènes Communicants (SHEC). INFormation complexe (INFLEX). Véronique Serfaty Responsable du domaine scientifique L ingénierie de l information s intéresse à toutes les sciences et techniques qui contribuent à comprendre, traiter et transmettre l information (STIC). Un très large pan de la robotique relève des mêmes thématiques scientifiques. Ce sont ces techniques qui sont couvertes par le volet «Robotique» du domaine «Ingénierie de l Information et Robotique» (I2R). ENJEUX SCIENTIFIQUES POUR LA DÉFENSE ET LA SÉCURITÉ Le domaine I2R est transverse à l ensemble des autres domaines scientifiques dans la mesure où le traitement de l information numérique est devenu omniprésent dans les systèmes technologiques de pointe. Bon nombre de tâches parfois complexes, réalisées jusqu à récemment par des systèmes physiques, sont aujourd hui effectuées par des codes de traitement, et font même souvent l objet d implantations matérielles sur des calculateurs embarqués. Une implication de ce succès est que les mathématiques discrètes associées d une part, et les méthodes d ingénierie du domaine d autre part, se sont infiltrées dans l ensemble des sciences de l ingénieur et inspirent le fond ou la forme d ap- proches scientifiques (expérimentation in silico), de méthodes de conception des systèmes (approches orientées objets) voire d approches mathématiques (méthodes statistiques). Le domaine effectue donc, à différentes échelles d abstraction et d application, une sorte de percolation dans les autres domaines. Avec comme bras armé l informatique, le traitement numérique de l information présente les avantages de la facilité d implantation, de l évolutivité et d une grande généralité (sans aller jusqu à la totipotence) des matériels pour finalement aboutir à une diminution des coûts de réalisation, avantages qui se concrétisent à un plus haut niveau par la mise en réseau des systèmes. A l inverse, parmi les aspects négatifs les plus contraignants, se trouvent ceux de la complexité mal maîtrisée des systèmes informatiques et de leur vitesse d obsolescence. Ces deux inconvénients représentent des défis technologiques énormes : comment s assurer de la sûreté de fonctionnement des grands programmes et comment rendre l informatique suffisamment indépendante de son implantation matérielle? Ce dernier point a comme paramètre important le cycle de l innovation très court des technologies de l information et de la communication. Ainsi, la dualité entre l innovation civile et celle de Défense en matière de TIC n est qu une facette d un contexte scientifique et 14 POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION ORIENTATIONS

2 technologique plus général dans lequel la Défense affiche un cycle d innovation 5 à 10 fois plus long que celui des domaines civils. Par ailleurs, la Défense propose à ces technologies une richesse de contextes d emploi inégalée avec des exigences sévères et parfois antagonistes qui prises ensemble la démarquent du domaine civil. Ces exigences de précision et de robustesse face aux conditions d emploi, de réactivité en milieu libre et hostile, d adaptabilité voire d évolutivité, flirtant avec l autonomie face aux changements de situation, et enfin de rapidité d exécution sur des équipements embarqués engendrent des enjeux scientifiques importants. La recherche civile et la recherche de Défense en matière de STIC ont donc des complémentarités importantes depuis l ingénierie jusqu à la recherche de base. Un défi supplémentaire pour les applications de Défense est aussi de concevoir des systèmes optimisés qui mettent en jeu des technologies devant rester opérationnelles sous des conditions de fonctionnement très variables à l opposé des systèmes civils qui opèrent sous des conditions en principe maîtrisées. Ce point est particulièrement sensible pour les applications de robotique quel que soit le milieu terrestre, aérien, naval ou spatial. Enfin, le développement des STIC dans le domaine civil, pourtant perçu comme une opportunité économique et sociétale( 7 ), soulève des problèmes de sécurité et de Défense. D un côté il crée des dépendances ; de l autre il met des outils numériques puissants à la portée d adversaires potentiels. La fragilité et la vulnérabilité des infrastructures et des équipements deviennent des enjeux majeurs. Le caractère transverse du domaine I2R apparaît dans la carte des nombreux métiers de la DGA concernés, principalement les métiers «Télécommu- Figure 1.1 : Schéma du découpage thématique du domaine I2R Monde de l information (numérique) Thème 2 : Traitement et exploitation de l information Utilisateurs de l information ou du système qui agit sur le monde physique Perception Thème 3 : Systèmes complexes Thème 1 : Communications Thème 4 : Commande des systèmes et des robots Action nications», «Sécurité des systèmes d information», «Guerre électronique», «Détection électromagnétique», «Optronique», «Guidage et navigation», «Méthodes, outils, simulation», «Systèmes de combat terrestres», «Systèmes d information opérationnels» et «Espace, observation, renseignement et systèmes de drones». Il est donc normal que cette transversalité se retrouve au niveau des applications. Cela se perçoit naturellement dans la littérature liée à la recherche de Défense, aussi bien en France que chez les autres grands acteurs internationaux (USA, Angleterre, Allemagne ). ORIENTATIONS SCIENTIFIQUES Le type de traitement subi par l information dépend naturellement de la façon dont elle est quantifiée mais aussi de la finalité du système de traitement. Dans la perspective de la recherche de Défense, c est bien la finalité qui définit les orientations scientifiques. On distingue : une finalité de communication : on veut qu un récepteur reçoive la totalité de l information disponible au niveau d un émetteur ; une finalité d exploitation : on veut extraire des caractéristiques utiles de l information. On peut aussi effectuer une transformation d un espace de représentation ou d un niveau d abstraction vers un autre ; une finalité de commande : on veut produire une structure d information dont les caractéristiques auront des effets sur le monde physique (par l action d effecteurs). Cette notion de finalité est cependant relative aux frontières du système que l on considère pour une problématique donnée. On peut aussi s intéresser à la globalité d un système dans sa complexité ; la finalité est alors de maîtriser cette complexité. Ces quatre mots clés (communication, exploitation, commande et complexité) définissent le découpage thématique du domaine I2R schématisé ci-contre. On notera que certains sujets peuvent être traités suivant plusieurs axes relevant de thèmes différents. Ainsi, les réseaux informatiques relèvent-ils de la communication (thème 1) si l on s intéresse à la sécurité, mais concernent également les réseaux de capteurs (thème 2) et la commande distribuée (thème 4). Domaine 1 ( 7 ) Voir la SNRI. Monde physique 1. COMMUNICATIONS Dans le principe, le thème des communications regroupe l ensemble des techniques permettant POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION ORIENTATIONS

3 Domaine 1 de connecter des systèmes distants, indépendamment de la nature des informations transportées (voix, vidéo, données) et de celle des média utilisés (réseau filaire ou optique, hertzien, canal satellite, liaison sous-marine). Dans la réalité, il est évident que les techniques invoquées peuvent être extrêmement différentes. Toutefois, elles affichent en matière de Défense des exigences et des contraintes partagées : exigences par exemple de débit, compatibilité entre différents formats, robustesse face aux agressions volontaires ou non ; contraintes de discrétion, durée d acheminement par tous temps et gestion intelligente de l énergie, pour n en citer que quelques unes. Bon nombre de points durs qui intéressent la Défense ont toutefois à voir avec les transmissions hertziennes : il s agit d abord du traitement et de l intégration d antennes, qu on peut étendre au problème de la coopération entre capteurs ; on s intéressera également aux nouvelles formes d onde pour la radio-logicielle et à la radio cognitive, notamment pour le problème de gestion des fréquences. Le traitement du signal intervient notamment pour la modélisation du canal de transmission, avec comme réponses par exemple les techniques (FMT) qui permettent de compenser les chutes de propagation, et plus généralement les codages qui permettent de s y adapter. Les avancées technologiques en matière de transmission induisent également des enjeux scientifiques, comme le développement de systèmes antennaires (MIMO, SIMO, antennes actives, etc.), la réduction des bandes spectrales et le partage des fréquences. Au-delà du traitement du signal, les mathématiques discrètes (notamment la combinatoire, la théorie des codes détecteurs et correcteurs d erreurs) permettent de répondre aux questions portant sur l intégrité des signaux transmis. En matière de réseaux tactiques, les besoins Défense se caractérisent par l emploi de technologies de transmission radio sous des contraintes de mobilité et de flexibilité propres aux opérations militaires. En particulier, l absence d infrastructure fixe de télécommunication et l évolution vers l interconnexion des différents éléments du théâtre d opération (en vue de leur exploitation, de leur mise à jour, etc.) engendrent des exigences d interopérabilité qui s ajoutent aux problématiques spécifiques au système de télécommunication (qualité de service, temps de latence, bande passante, routage et contraintes de mobilité) : ce besoin d interopérabilité prend une importance accrue et requiert le développement de concepts, de langages et d outils nouveaux. En-dehors des aspects opérationnels, des enjeux scientifiques importants concernent les problèmes de sécurité, qui vont aujourd hui bien au-delà de l utilisation du chiffrement : pour ne citer qu un exemple, la «radio logicielle» a pour but de regrouper au sein d un même poste des transmissions de voix et de données à divers niveaux de confidentialité ; cela induit des problèmes de sécurité complexes désignés par le terme «multi-niveau». Pour répondre à ces problèmes, il sera nécessaire de disposer de nouvelles approches en sécurité informatique et en cryptographie, comme par exemple l utilisation de nouveaux systèmes de chiffrement à clef publique homéomorphes. Un autre aspect, plus technologique, est de disposer de systèmes de chiffrement à haut débit et faible consommation au sein de ces nouvelles radios. Le thème des réseaux de capteurs est particulièrement intéressant pour la Défense. Ensembles de capteurs et d effecteurs immergés dans l environnement et qui assurent la transmission de données numérisées vers un système d information, ils soulèvent des problèmes de gestion de l énergie, de délai et de fiabilité de transmission, de reconfigurabilité, en plus de l exploitation intrinsèque des données qu ils recueillent. Les enjeux scientifiques concernent les couches basses entre l acquisition et la transmission, les techniques de partage des ressources, le codage réseau, les approches MIMO virtuel et la problématique de la localisation et du routage. 2. TRAITEMENT DE L INFORMATION Ce thème décline toutes les techniques permettant d une part d améliorer la qualité de l information (en réduisant l effet du bruit, par exemple), et d autre part de l abstraire (par exemple en transformant des mesures télémétriques en carte d évitement) et d en manipuler les abstractions. Les applications Défense sont légion mais visent toutes à conférer à un combattant ou à un poste de commandement, voire à un système (robot, système d arme, etc.), une certaine supériorité : celle de voir, de savoir ou de connaître. Là encore, elles se démarquent des applications civiles similaires par des exigences liées à l excellence. Lorsqu il s agit de voir, on veut par exemple procurer à un combattant la vision par tous les temps, en utilisant tous les modes disponibles (le visible, l infra-rouge, l intensification de lumière, l imagerie active, la vibrométrie) séparément ou ensemble (par des techniques de fusion de données). Il doit également savoir quels sont les éléments en présence sur le théâtre des opérations en utilisant des moyens d acquisition perfectionnés : multispectral, hyperspectral, radar (MTI, SAR, THR, multistatique, ISAR2D), sonar, réseaux de capteurs et en disposant de moyens de représentation de l information adéquats (fusion multi-modale, reconstruction 3D, avec une réactivité optimale). Evidemment le traitement des données de chaque moyen d acquisition doit être décliné pour chaque classe d application particulière avec des exigences Défense (détection automatique performante, taux de fausse alarme très faible, adaptativité des traitements). Enfin, toutes ces informations doivent permettre de construire une représentation du théâtre d opérations en temps réel et avec une mise à jour continue, afin d en donner aux différents acteurs 16 POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION ORIENTATIONS

4 une connaissance aussi complète que possible, d aider à la décision et au suivi de la situation tactique. Au-delà, il s agit de fournir des outils de formation à ces nouvelles technologies, l entraînement des combattants pouvant devenir un problème en soi (domaine HS). En outre, les applications Défense concernent également le traitement des informations d origine symbolique comme la parole, les documents écrits, les bases de données, la fusion de données et des images, le web et la prise en compte de l homme dans la boucle (hors la dimension humaine qui relève du domaine «Homme et système»). Une interaction avec le domaine «Environnement» concerne des aspects liés à la géographie numérique comme la géolocalisation d images, et le traitement de l information sémantique pour la géographie. Pour toutes ces méthodes de traitement de haut niveau, il conviendra de poursuivre l effort que la Défense a soutenu depuis de nombreuses années pour les techniques de plus bas niveau sur la problématique de l évaluation objective des résultats, qui induit de très importants défis scientifiques. Si le traitement d images visibles ou infra-rouges est un domaine étudié depuis plusieurs décennies, le traitement des images hyperspectrales, polarimétriques, radar, sonar, voit apparaître de nouvelles approches prometteuses. Des efforts mathématiques importants sont à poursuivre, notamment ceux faisant appel aux algèbres multilinéaires, aux méthodes stochastiques prenant en compte la géométrie, aux méthodes relevant de la géométrie de l information (géométrie différentielle appliquée à l information) ou encore aux nouvelles méthodes pour les problèmes inverses. Le traitement de la vidéo, rendu possible par des puissances de calcul embarquées suffisantes, se situe à mi-chemin entre le traitement d images conventionnel et la compréhension de scènes. Les problématiques de compression, d interprétation et d indexation concentrent un nombre important de recherches. Pour le premier point, on retiendra les extensions aux modèles markoviens associés à des techniques d optimisation, les nouvelles transformations redondantes permettant des représentations hiérarchiques des séquences compatibles avec l extraction de descripteurs et les problèmes liés aux réseaux de capteurs. Concernant l interprétation, on privilégiera des méthodes d apprentissage incrémental et en ligne, associant étroitement actions et objets (représentation, apprentissage, reconnaissance) pour l interprétation de scènes dynamiques ; on mettra notamment un accent sur les approches de détection et estimation conjointes (i.e. comportant un cadre de travail unifié). Enfin pour le dernier point, les approches nouvelles de reconnaissance et d indexation multimodale seront soutenues, jusqu à des approches permettant la compression et l archivage des vidéos (et des images). Les efforts en traitement de la parole et du langage porteront sur la généralisation ou l introduction de Photo d un poinçon (1 cm de haut environ) qui va être acquis par scanner laser. Rendu de la surface reconstruite par méthode d ensemble de niveau. Rendu de la surface reconstruite par maillage direct. Rendu de la surface reconstruite par SSM : tous les détails sont préservés. Figure 1.2 : Une méthode de maillage de surface (SSM : scale space meshing) à partir d un nuage de points acquis par scanner haute précision a été développée. Les surfaces reconstruites conservent tous les détails et textures de l objet acquis, en fusionnant les différents passages du scanner. Les nuages de points comptent jusqu à 30 millions de points bruts que l on réussit à visualiser sans lissage ni altération numérique (thèse DGA avec l ENS/ CMLA). nouvelles techniques pour la reconnaissance et le suivi de thèmes de parole (notamment en reconnaissance multilingue), la reconnaissance de la langue et du locuteur, la reconnaissance d entités spécifiques et de thèmes pour la recherche avancée de documents audio et textuel, la traduction automatique écrite et orale. Concernant l analyse de documents écrits, les recherches doivent viser à étendre les bonnes performances des systèmes classiques de reconnaissance de caractères dactylographiés à la reconnaissance d écriture manuscrite et de documents composites (mixte manuscrit, dactylographié, tableaux, etc.) ou dégradés. Le traitement d informations diverses permet d aborder la problématique de la sécurité globale. On s intéressera aux techniques pour la biométrie, à l analyse de comportement de personne et de foule, à la détection de changement dans des scènes, à la détection d engins explosifs improvisés (IED), aux problèmes soulevés par les identifiants (tags, RFID), à la détection de signaux faibles, et pour l anticipa- Domaine 1 POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION ORIENTATIONS

5 Domaine 1 tion et l analyse aux méthodes de simulation pouvant contribuer à la problématique de la sécurité globale. Les puissances de calcul disponibles sur des platesformes rendent justement possibles des traitements jusque-là réservés aux expérimentations. Dans la mesure où cela porte effectivement sur des problèmes scientifiques, il convient donc de s intéresser à l implantation des algorithmes sur des architectures multi-cœurs, voire sur des architectures dédiées et sur des GPUs. Ces nouveaux aspects peuvent se rapprocher de la problématique du calcul intensif, pouvant être utilisé dans le traitement de masses de données et qui trouve des applications dans d autres domaines scientifiques («Ondes», «Matériaux», «Environnement»). Par ailleurs, on soutiendra également des efforts concernant l informatique collaborative à des fins d extraction du renseignement ou de formation. Enfin, la Défense retiendra des efforts ciblés concernant l informatique et l ordinateur quantique, dans une prospective à long terme. 3. SYSTÈMES COMPLEXES La notion de système complexe n est pas la même suivant que l on parle de systèmes naturels ou de systèmes artificiels. Pour les applications de Défense, on s intéresse surtout à l analyse et la définition de l architecture de systèmes complexes artificiels principalement de deux types : les systèmes de systèmes (SdS : ensemble de systèmes autonomes interconnectés et coordonnés pour atteindre une capacité militaire donnée, inatteignable par aucun des éléments seul), les systèmes complexes à logiciel prépondérant. Les systèmes complexes naturels ou qui connectent des éléments naturels et artificiels intéressent le domaine I2R pour des travaux impliquant d autres domaines scientifiques, lorsqu il s agit d observer les propriétés globales d un ensemble de constituants dans le cadre d applications issues d autres domaines scientifiques («Biologie», «Homme et système», «Environnement et géosciences», ). Les caractéristiques de systèmes complexes naturels, telles que l émergence de propriétés ou l autoorganisation peuvent être souhaitables (ou redoutées) pour des systèmes artificiels. Les travaux pour comprendre ces phénomènes intéressent donc la Défense dans la mesure où ils montreront une nouveauté et une généralité suffisantes. Pour les systèmes complexes artificiels, la Défense est intéressée à soutenir des travaux scientifiques qui permettront des avancées en matière d ingénierie. Cela concerne en particulier l analyse et la définition de l architecture des SdS, des comportements des systèmes individuels et de leurs interconnections (interfaces). En dehors des efforts technologiques importants, les points durs scientifiques concernent la définition, la conception, l évolution et la maîtrise de l obsolescence des éléments des SdS utilisés pour la Défense. Les besoins issus des applications de Défense sont également concernés par la spécification des systèmes complexes à logiciel prépondérant, et par la modélisation, la vérification et le contrôle des systèmes à tous les niveaux du plus proche du matériel au plus algorithmique en passant par le middleware. Les besoins concernent en particulier la vérification de la validité (au sens de l adéquation au besoin et de la sûreté de fonctionnement) en continu depuis les premières phases de conception ou de définition du système ou du SdS. Les méthodes informatiques pour parvenir à ces fins sont multiples. Malgré des avancées récentes, la Défense reste intéressée à soutenir des recherches au meilleur niveau de l état de l art en ce qui concerne l étude des systèmes distribués pour les aspects touchant à la flexibilité logicielle, à la reconfigurabilité et à l interopérabilité. Des points très importants sont ceux de la résilience et de la sûreté de fonctionnement, essentielles à de nombreux systèmes (comme les drones) : on s intéressera à la vérification et à la preuve des langages de programmation et à l évaluation des logiciels critiques, à la tolérance aux pannes, aux architectures robustes. Les techniques de virtualisation seront également étudiées. A plus haut niveau, on s intéressera également aux aspects cognitifs dans les SdS, jusqu à des applications de travail collaboratif, de jeux (serious games) et de simulations. D une manière générale, la défense ressent le besoin d une refondation en rupture des outils de gestion des SdS et de leur développement en regard des utilisateurs. Un cas d application des techniques de systèmes complexes : l intégration de véhicules inhabités (drones, robots) dans la circulation habitée Si on veut qu un drone puisse accéder à l espace aérien utilisé par les vols classiques, on a un système déjà complexe (le système du transport aérien), auquel il faut ajouter un élément (le drone) sans perturber les performances de sécurité et de fluidité du trafic. Le problème consiste donc à spécifier les caractéristiques du drone et les éventuelles modifications du système de transport aérien sous de fortes contraintes d origines multiples (financière, juridique, sociale, ) et avec un besoin de garanties diverses à fournir aux autorités et à la société civile. C est donc bien une approche «système complexe», en complément de travaux plus classiques de robotique et d aéronautique, qui permettra d obtenir l autorisation de vol. Cette problématique d actualité brûlante pour les drones se pose également pour les robots terrestres assimilables à des voitures (ou à des véhicules plus gros), ainsi que pour les drones maritimes de surface. 18 POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION ORIENTATIONS

6 4. COMMANDE DES SYSTÈMES ET DES ROBOTS Cet axe couvre les thématiques fondamentales de l automatique : modélisation, identification, observation, et commande. A ces thématiques s ajoutent celles permettant la prise en compte de consignes et d objectifs qui peuvent être complexes lorsque que l on vise un certain niveau d autonomie décisionnelle. S ajoutent alors les thèmes de planification et suivi d exécution, d allocation de tâches et de ressources, de prise en compte de l utilisateur dans son rôle de superviseur ou d acteur du système de commande, de diagnostic et pronostic ; ces thèmes se regroupent dans l étude de l architecture de contrôle du système. Tant pour l automatique que pour l autonomie décisionnelle et pour les problèmes qui combinent les deux, les progrès attendus concernent principalement l extension des classes de modèles pour lesquels des outils d analyse et de synthèse sont utilisables, ainsi que la prise en compte du caractère approximatif de ces modèles et des incertitudes sur les données. Parmi les classes de modèles d intérêt, on trouve les systèmes hybrides, c est-à-dire dont la dynamique combine des équations d évolution continue et discrète. Ces systèmes sont le point de rencontre des automaticiens qui utilisent des systèmes informatiques pour la commande, et des informaticiens qui conçoivent ces systèmes. La dynamique continue décrit souvent des phénomènes physiques quantifiés (mécanique du vol ), alors que la dynamique discrète décrit des changements d états qualitatifs ou logiques bien représentés par des automates. La rencontre entre informatique et automatique a aussi conduit à l intérêt croissant pour les systèmes distribués qui bénéficient des avancées en matière de réseaux de communications. Ces systèmes sont souvent hybrides et hiérarchiques( 8 ) et soulèvent des problématiques de répartition des charges de calcul, avec comme problématique connexe la commande sur des réseaux tolérante aux retards de communication (anytime control). Rejoignant la thématique des réseaux de capteurs, et en leur adjoignant des actionneurs, la miniaturisation et la dissémination des systèmes embarqués conduit aux systèmes cyberphysiques( 9 ) qui peuvent rendre l environnement du combattant intelligent et adaptatif. Dans la même veine, la flexibilité apportée par les éléments logiciels permet d envisager l adaptabilité et l évolutivité des systèmes. S ouvrent alors les possibilités de diagnostic en ligne, voire de pronostic et d architecture de commande tolérante aux fautes (fail safe). L autonomie décisionnelle peut aller jusqu à la capacité d un système à se reconfigurer ou à l autoorganisation d un ensemble d agents ; elle peut bénéficier des techniques de programmation réflexive. De façon transverse aux thèmes d automatique et d autonomie décisionnelle, on trouve les contraintes de mise en œuvre et d utilisation que soulèvent les problèmes d automatique embarquée : embarquabilité et exécutabilité temps-réel, transmission de la commande / réception des informations (retards, pertes...), sûreté de fonctionnement et conception de systèmes sûrs, robustesse, tolérance aux fautes, résilience. On trouve aussi les méthodes de garantie et d évaluation des performances des systèmes commandés. On s intéressera surtout aux aspects numériques (caractérisation des incertitudes, propagation des intervalles d erreur, polynômes de chaos) trop souvent négligés. Figure 1.3 : Navigation autonome d un robot par déformation de trajectoire: la trajectoire à exécuter, i.e. une courbe dans l espace-temps, est continûment déformée en réponse aux nouvelles informations sur l environnement acquises par ses capteurs. Le robot peut alors éviter les obstacles mobiles qui l entourent en anticipant leurs mouvements, tout en garantissant la convergence vers sa destination. Plus généralement, la numérisation du champ de bataille produit une grande masse de données qu il s agit d exploiter pour prendre une décision. Dans les applications de Défense, de nombreuses situations nécessitant des prises de décision en environnement incertain ne se réduisent pas au paradigme de la commande optimale en automatique. La Défense est donc intéressée à soutenir des recherches en optimisation robuste (dont les décisions restent valides dans le pire cas de réalisation des paramètres incertains intervenant dans le problème à résoudre) et en théorie des jeux (théorie algorithmique par exemple). D autres développements récents dans le domaine de l aide à la décision sous incertitude, essentiellement «tirés» par des applications civiles (mathématiques financières, optimisation de production sous incertitude, robustesse des réseaux de télécommunications, etc.) peuvent Domaine 1 ( 8 ) Voir par exemple le réseau européen HYCON. ( 9 ) Programmes NSF Cyber-physical Systems (CPS) en 2008 et 2010 POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION ORIENTATIONS

7 Domaine 1 faire l objet de recherches complémentaires pour en explorer plus systématiquement les retombées sur les problématiques de Défense. Aide à la décision robuste : un exemple. On cherche à planifier des itinéraires pour des groupes de véhicules devant effectuer une mission donnée : si de nombreux itinéraires sont a priori possibles, le plus court (ou le plus rapide en temps) n est pas nécessairement le moins risqué ; l incertitude porte ici sur la position et le nombre des obstacles potentiels susceptibles de compromettre la mission (présence de mines, raids aériens ou tirs d artillerie de l adversaire, etc.), et une décision optimale robuste correspondra, par exemple, au choix de l itinéraire le plus rapide en temps lorsque le nombre, la position et l intensité des obstacles correspond au pire cas du point de vue du décideur (le meilleur cas pour l adversaire). NB: on notera au passage la proximité d un tel problème à une situation de type «jeu à deux joueurs». Enfin, les capacités grandissantes de traitement de l information éloignent de plus en plus l utilisateur humain du monde physique réel : la distinction entre monde réel et monde virtuel s estompe. En phase de conception d un nouveau système, la simulation joue un rôle croissant. Compte-tenu des temps de calculs requis par les simulations complexes, il est souvent nécessaire d utiliser des modèles simplifiés (ou métamodèles) pour choisir les conditions expérimentales de ces simulations (computer experiment design). En phase d utilisation, le rôle de l utilisateur peut être facilité par l utilisation de la réalité virtuelle ou de la réalité augmentée comme moyen Un pont entre disciplines voisines : localisation et navigation autonome en robotique, guidage et navigation d engins militaires, des problèmes d observation et de commande. Une problématique classique en robotique concerne l autonomie de déplacement du robot dans son environnement. Pour cela, le robot doit être capable de se localiser par rapport à cet environnement en utilisant surtout des capteurs extéroceptifs (capteurs d environnement) parfois aidés de capteurs proprioceptifs (capteurs de mouvement propre). Le besoin de localisation précise et fiable existe depuis longtemps pour les systèmes militaires. Il est traditionnellement résolu à l aide de centrales de navigation basées sur des capteurs inertiels (accéléromètres et gyromètres ou gyroscope) assistés de capteurs de vitesse ou de position. Des développements technologiques récents (MEMS inertiels, récepteurs GPS miniaturisé) ont révolutionné la localisation. On observe contraintes entre le robotique mobile et la navigation militaire une convergence des enjeux qui justifie un croisement des approches. De plus, l information de localisation étant ensuite utilisée pour déterminer la trajectoire d un engin (robot, missile, ),, la localisation est un problème d observation (au sens des automaticiens). Les progrès sur les techniques d observation devraient donc déboucher sur des progrès en matière de navigation militaire. d interagir avec le système. Les problématiques de garantie et de maitrise des effets numériques sont là aussi cruciales. Actions prioritaires SYSTÈMES HETÉROGÈNES COMMUNICANTS (SHEC) Le concept de réseau informatique filaire entre machines est remplacé depuis quelques années par une généralisation accélérée à un ensemble de mises en relation hertziennes entre objets. Le terme de «réseau» concerne alors un ensemble de relations non défini de manière globale et sans pérennité entre des objets qui peuvent être presque quelconques et qui communiquent au moyen de protocoles et de standards très diversifiés et ouverts. Devant cette séduisante facilité d emploi inhérente à un manque d organisation centralisée et des technologies de communication bas coût, plusieurs aspects portant sur leurs avantages et leurs inconvénients associés doivent être étudiés par la Défense. On s intéresse dans un premier temps à la manière dont ces réseaux s établissent et fonctionnent : si les réseaux ad hoc permettent un déploiement rapide sur le terrain de systèmes d information, il est nécessaire de s assurer qu ils atteignent des performances satisfaisantes en termes notamment de temps de latence et qualité de service. Dans un deuxième temps, il est nécessaire d évaluer et de consolider la sécurité informatique de tels réseaux, dans la mesure où les informations militaires doivent pouvoir être acheminées entre des interlocuteurs déterminés d une part, et du fait que les transactions informatiques ne résultent alors plus d une volonté centralisée et peuvent donc s établir à l insu des détenteurs de matériel (ordinateurs, téléphones portables, GPS, consoles diverses, RFID ) d autre part. Enfin, de nouveaux concepts utilisant les possibilités de ces réseaux permettent d envisager d ac- 20 POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION ORIENTATIONS

8 croître considérablement la numérisation du théâtre d opération, comme les capteurs abandonnés ou les équipements du fantassin, embarquant ou non de l intelligence distribuée et pouvant dans ce cas effectuer une fusion «multimodale» (par exemple entre capteurs de vision, capteurs télémétriques, acoustiques voire sismiques), et les robots. 2. INFORMATION COMPLEXE (INFLEX) C est aujourd hui un lieu commun de dire que l information est banalisée et omniprésente et qu inversement, rechercher une information pertinente (au sens d un ensemble de critères propres à un but donné) est devenu une tâche extrêmement ardue. La Défense n échappe pas à ce constat : les réseaux informatiques, les plates-formes d acquisition et de surveillance et les systèmes d information véhiculent une information trop riche pour être exploitée de manière satisfaisante, dont on souhaiterait un traitement le plus automatisé possible, et avec des taux d erreur admissibles extrêmement faibles. Pour ce faire, on s intéresse aux méthodes et traitements pour l image, la vidéo, la parole, les documents textuels et structurés, le web, permettant de conceptualiser, manipuler, rassembler et fusionner des informations d abstraction croissante allant du numérique au symbolique (du syntaxique au sémantique). Les applications spécifiques à la Défense sont multiples, depuis la compréhension automatique de scènes jusqu à la détection de signaux faibles. Les approches théoriques, les outils informatiques et les méthodes objectives d évaluation doivent être développés, depuis la représentation synthétique des données, l extraction et la fusion d information, les techniques d apprentissage, la fouille de données complexes, le web sémantique, l interaction avec l humain dans la boucle Parmi les axes de recherche concernant essentiellement l information sémantique, on privilégiera les méthodes pour la fusion des données et des images (notamment celles formalisant l incomplétude des données, leur incertitude et leur hétérogénéité, ou encore leur asynchronisme), les méthodes pour l analyse de scènes, et les architectures de traitement proposant un cadre unifié permettant la transition du bas niveau (information numérique) au haut niveau (information sémantique). Par ailleurs, si certaines méthodes relevant de «l Intelligence Artificielle» ont pu être jugées comme peu performantes, beaucoup d entre elles ont aujourd hui des applications en phase industrielle ; la Défense peut donc être intéressée à soutenir leur généralisation ainsi que de nouvelles approches plus amont. Par ailleurs, des méthodes développées en mathématiques probabilistes notamment en vue d applications financières à la frontière de l analyse multidimensionnelle, de l optimisation, des probabilités et des statistiques peuvent également trouver des applications en simulation numérique, et en analyse d Information Complexe. Domaine 1 POLITIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ÉDITION ORIENTATIONS