Plateforme de communication robuste et de disponibilité augmentée pour des robots mobiles de sauvetage

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1 Sujet de thèse IFI-MSI / Université de Caen Plateforme de communication robuste et de disponibilité augmentée pour des robots mobiles de sauvetage Contexte Le contexte de ce travail est le projet AROUND (Autonomous Robots for Observation of Urban Networks after Disaster) sur l aide à la coordination des secours en cas de catastrophes naturelles en milieu urbain. L approche étudiée repose sur trois niveaux de décision et d action fonctionnant en synergie avec les structures humaines de gestion des catastrophes : (1) au niveau global (ville), un système d aide à la décision temps réel basé sur un système d information géographique (SIG) ; (2) au niveau intermédiaire (quartier), une simulation 3D collectant en temps réel les informations d observations sur le terrain et permettant la coordination locale des secours sur le terrain; (3) au niveau local, enfin, un déploiement de robots autonomes dotés de capteurs pour aider les équipes de secours par une collecte dynamique d informations sur le terrain. Le premier cadre d expérimentation de ce système est la ville de Hanoi au Vietnam. Problèmes traités dans la thèse Déployer et coordonner des robots autonomes d'observations dans le contexte du projet AROUND est en soi un challenge. Différents problèmes que nous proposons de traiter dans cette thèse : Un premier problème est que les robots doivent d'une part récolter les données sur la zone sinistrée et d'autre part les transmettre au centre de commandement des opérations de secours. Comme on ne peut pas faire raisonnablement d'hypothèse sur l'existence d'infrastructure de communication, les robots doivent prendre en charge la transmission des données recueillies. Afin de minimiser le prix des robots et le coût des communications, ces transferts de données doivent s'appuyer sur un réseau ad hoc formé par les robots. D'où un conflit avec la tâche de récolte de données. En effet, pour maximiser la quantité de données collectées, les robots doivent s'éloigner rapidement les uns des autres pour explorer la plus grande superficie de terrain possible. Mais, pour assurer les communications, les robots doivent rester groupés. Comment concilier ces deux objectifs a priori contradictoires? Un second problème consiste à assurer une certaine qualité de service de communication entre les robots, surtout en matière de connectivité et de disponibilité, ce qui n'est pas évident pour un réseau ad hoc sans fil. Le rôle de la plate-forme de communication devient crucial car elle doit assurer à la fois la coordination et la connectivité des robots, la maintenance du réseau et le transport de données collectées vers le nœud central. Elle devra véhiculer trois types d'informations : données pour organiser, piloter et suivre les robots, informations pour maintenir une qualité de service acceptable de l'infrastructure de communication, informations collectées sur le terrain (images, température, taux de pollution, etc. ). Il est clair que l'activité de communication est intimement liée à l'activité des robots et doit donc fluctuer dynamiquement en fonction de la tâche à effectuer en tenant compte des contraintes liés à l'environnement matériel dans lequel se situe le robot. Travail à effectuer Le sujet proposé consiste à proposer une architecture matérielle et logicielle pour des communications efficaces et de haute disponibilité entre les robots déployés sur le terrain, que ce soit entre eux ou avec le centre de commandement. On se propose de diviser l'infrastructure de

2 communication en deux niveaux : une couche basse en charge du transport des données tenant compte des conditions difficiles de communication (mobilité des robots, topologie dynamique, terrain imprévisible et accidenté, portée importante, etc.). Cette couche assurera les fonctions de base de communications mais bien que réagissant rapidement aux modifications de l'environnement, n'en aura néanmoins qu'une vision partielle. une couche haute qui bénéficiera des services offerts par la couche basse pour organiser la tâche de collecte des informations sur la zone sinistrée et la remontée des informations au centre de commandement. Cette couche disposera d'une vision plus globale du système (organisation des robots, nature de la tâche, stratégies de déploiement, modes de communication, etc....) que la couche basse. Ce qui lui permet de planifier l'activité du robot à plus long terme. Tenant compte du fait que le réseau ad hoc sans fil n'est pas fiable et que les parties communicantes sont mobiles, on se propose de créer une plate-forme robuste et de haute disponibilité de communication entre les robots mobiles en contexte de milieu difficile de communication (perte de signal, bruits, portée importante de communication, etc. ). Cette plate-forme tiendrait compte des restrictions dues aux ressources limitées des robots (surtout de la capacité de la batterie) et des tâches que les robots doivent réaliser sur le terrain. La disponibilité de la plate-forme peut être augmentée considérablement en faisant collaborer le déploiement des robots sur le terrain et la maintenance du réseau de communication entre les robots. On donne également à la couche basse la possibilité de faire appel aux couches supérieures dans les cas où elle n'arrive pas à assurer la connectivité des agents. Pour la couche basse on se propose d'étudier 2 modes de communication : mode ad hoc [1, 2] : chaque robot contribue au fur et à mesure à la création et la maintenance de la plate-forme de communication en relayant les messages de ses voisins. Cette approche va imposer une charge supplémentaire pour les robots et va limiter leurs déplacements sur le terrain car ils devront essayer de rester connectés en permanence au moins à un voisin. À noter une consommation assez importante de la bande passante pour organiser le routage. mode infrastructure mobile : certains robots sont spécialisés et chargés d'assurer le fonctionnement du réseau en jouant le rôle de relais qui doivent restés en permanence interconnectés et connectés au nœud central pour assurer la couverture des zones où il y a des robots qui explorent le terrain. Ces robots vont constituer une infrastructure mobile (un réseau sans fil ad hoc avec un faible nombre de nœuds) qui devra assurer la communication avec tous les robots déployés sur le terrain est suivre les changements éventuels dans le réseau (et donc élargir ou déplacer la (les) zone(s) de couverture). Dans ce cas, les robots simples auront une autonomie importante, seront soumis à moins de contraintes et pourront communiquer avec les robots-relais les plus proches qui joueront le rôle des maîtres. Dans un premier temps, on se propose d'utiliser un réseau Wifi (IEEE ) pour faire des essais sur de prototypes pour tester les solutions. Pour ce faire, le doctorant aura accès à un ensemble de robots du type Wifibot [5] pour les besoins d'expérimentation. Les limites du Wifi sont assez importantes : la portée limitée de communication (quelques centaines de mètres dans le meilleur cas) et l'absence de routage. Pour créer des systèmes de communication plus performants, on peut essayer d'utiliser les mêmes interfaces matérielles (Wifi) en introduisant des changements au niveau de routage (si possible), sinon réaliser une nouvelle interface et définir des nouveaux protocoles de communication. Il sera nécessaire d'évaluer par des moyens analytiques ou par simulation les deux modes de communication (mode ah hoc et mode infrastructure mobile) en tenant compte des restrictions imposées par le matériel, par le nombre des robots, la taille du terrain à explorer, l'algorithme de déploiement, etc. pour faire le choix de l'architecture de la plate-forme de communication. Dans un deuxième temps, on se propose de faire une analyse des protocoles existants de routage

3 dans les réseaux ad hoc pour choisir celui qui est mieux adapté au contexte d'un réseau de robots mobiles. Il sera également possible de proposer des changements dans les protocoles existants si nécessaire. Pour la couche haute on se propose de partir du concept de système multi-agents (SMA) [4] et de considérer chaque robot comme un agent pour fournir une solution globale aux problèmes précédemment cités. Partant du concept d'agent, nous proposons de suivre deux pistes complémentaires. La première s'appuie sur le modèle AGR (Agent, Groupe, Rôle) [6]. Ce modèle permet de concevoir de manière globale, l'organisation du système en définissant des groupes d'interactions entre agents. Chaque groupe décrit les rôles que doivent remplir les agents impliqués dans une même interaction. L'originalité de la proposition consiste à étendre AGR pour définir un formalisme qui permet non seulement de concevoir, mais également implanter simplement les fonctions d'un SMA vu comme un tout. Une approche possible consiste à unifier la programmation par aspects [7] avec le concept de groupe [8]. La programmation par aspects étant un paradigme de programmation qui permet de localiser dans des modules (appelés aspects) le code de propriétés transversales à tout un logiciel. L'utilisation de la programmation par aspects permettrait d'exprimer dans un unique module les propriétés globales à tout le SMA, notamment le maintien du maillage du réseau de communication ad hoc. Pour implémenter cette partie, on utilisera les travaux réalisés dans le domaine du "zero config networking" [9, 10] et en particulier de la plate-forme UbiquiTalk [11, 12]. UbiquiTalk est une plateforme ouverte P2P (Pair à Pair, Peer to Peer) qui autorise la découverte mutuelle de pairs reliés au même réseau, que ce soit un réseau classique filaire, du type Ethernet par exemple, ou un réseau ad hoc sans fil, du type Wifi par exemple. Chaque noeud d'un réseau UbiquiTalk peut mettre à la disposition des autres pairs un ensemble de services (i.e. "briques logicielles") accessibles à distance. Ainsi, deux pairs peuvent se découvrir, établir une connexion et interagir sans nécessiter l'intervention d'un administrateur système. L'interaction consiste à utiliser sur un pair les services distants situés sur un autre pair. Cette utilisation conduit au déploiement, sans intervention humaine, d'un "client logiciel" sur le pair utilisateur. Découverte et déploiement automatique sont deux fonctions désirables dans le contexte du projet AROUND. Il faut cependant veiller à ce que les stratégies de déploiement et les protocoles de découverte soient en adéquation avec le nombre, potentiellement grand de robots intervenant sur le même sinistre. Quelques questions, qui seront discutées dans le cadre du projet AROUND, auront un impact considérable sur le choix des solutions concernant l'architecture du réseau et les protocoles de communication et de routage à utiliser : Paramètres des robots: Distance maximale de déplacement sans recharger la batterie, vitesse de déplacement sur le terrain. Autonomie des robots. Les robots seront-ils vraiment autonomes? Pourront-ils fonctionner sans connexion, donc sans échanger des données? Pourront-ils prendre par eux-mêmes des décisions pour choisir la bonne direction et pour contourner les obstacles? Quels comportement auront-ils si la tâche est irréalisable (obstacles incontournables, batterie déchargée, etc. )? Pilotage des robots: local (l'agent se trouve sur le robot, donc pas besoin des échanges continues de données), centralisé (l'agent se trouve dans le centre de commandement, donc échange importante et continue pour piloter le robot), ou hybride (avec un degré réduit d'autonomie et avec une participation importante du centre de commandement au pilotage. Mode d'échange de données: transmission continue (consommation importante de batterie et de bande passante) ou par interrogation (le nœud se trouve par défaut dans le régime d'économie d'énergie et transmet ses données que dans les cas où le centre de commandement ou un autre nœud lui le demande).

4 Protocole de recherche et plan de travail Cette thèse se déroulera dans le cadre d une codirection devant déboucher sur un diplôme de thèse français, elle est prévue dans le cadre d une Bourse de Thèse de Doctorat de l IFI (AUF). Le déroulement de la thèse est prévu pour 7 mois par année au Vietnam au sein de l équipe de recherche MSI (Modélisation et Simulation Informatiques) de l IFI, et 5 mois en France au laboratoire CNRS GREYC (Groupe de Recherche en Informatique, Image, Automatique et Instrumentation de Caen) de l'université de Caen. Un co-financement de deux mois est également prévu, financé par l'école des Mines de Douai (France). L encadrement de la thèse sera assuré par Victor Moraru (IFI), Serge Stinckwich et François Bourdon (Université de Caen, laboratoire GREYC). L inscription en thèse se fera en France à l école doctorale SIMEM (Sciences des Structures, de l'information, de la Matière Et des Matériaux) de l'université de Caen. La plateforme de communication UbiquiTalk sera fournie par Noury Bouraqadi de l'ecole des Mines de Douai. Le plan de travail prévu pour cette thèse de trois ans est le suivant : La première année sera dédiée d'abord à l'étude bibliographique des réseaux mobiles ad hoc, des protocoles de communication et de routage existants, des outils de simulation pour tester les solutions retenues et évaluer leur performance. En même temps, on étudiera le paradigme de programmation par aspects pour programmer les robots vus comme un Système Multi-Agents. À l'issue de cette année une architecture de la plate-forme de communication doit être définie. La deuxième année permettra de: 1) valider les choix retenus à l'issue de l'analyse effectuée et d'intégrer les solutions retenues au sein d'un prototype; 2) de définir des tests d'évaluation des résultats observés sur de modèles et sur des prototypes. La troisième année servira à valider entièrement l'approche, autant d'un point de vue théorique que pratique. Il s'agira de tester l'approche sur un système avec un nombre important de robots dans des conditions réelles et de proposer des mesures pour augmenter les performances de la plate-forme de communication, surtout en terme de fiabilité et de robustesse et de tester les idées développées. Les travaux seront conclus par la rédaction du mémoire de thèse et par un certain nombre de publications scientifiques dans le domaine. Calendrier d alternance Décembre 2006 Juin 2007 Juillet 2007 Novembre 2007 Décembre 2007 Juin 2008 Juillet 2008 Novembre 2008 Décembre 2008 Juin 2009 Juillet 2009 Novembre 2009 Ce calendrier pourra être adapté en fonction de l'avancement des travaux de thèse. Références 1. C. Perkins. Ad Hoc Networking, Addison-Wesley, Chlamtac, M. Conti, J. Liu. Mobile ad hoc networking: imperatives and challenges. Ad Hoc Networks, No. 1, M. Abolhasan, T. Wysocki, E. Dutkiewicz, A review of routing protocols for mobile ad hoc networks. Ad Hoc Networks 2, 1-22, J.P. Briot, Y. Demazeau. Systèmes Multi-Agents Principes et architectures. Hermes, Novembre 2001

5 5. WifiBot web: 6. J. Ferber, O. Gutknecht. A Meta-Model for the Analysis and Design of Organizations in Multi-Agent Systems. In Proceedings of the Third International Conference on Multi-Agent Systems (ICMAS98), pages , Paris, France, R. E. Filman, T. Elrad, S. Clarke, M. Aksit editors. Aspect-Oriented Software Development. Addison-Wesley R. Robbes, N. Bouraqadi, and S. Stinckwich. Un modèle multi-agent unifiant les notions de groupe et d'aspect. In Systèmes multi-agents défis scientifiques et nouveaux usages - Actes des JFSMA 2004, Paris, France, November Zero Configuration Networking (Zeroconf) Wikipedia. Zeroconf N. Bouraqadi, M. Piel. UbiquiTalk - An Infrastructure for Ubiquitous Computing. In the Developers Track of the ESUG International Smalltalk Conference, Prague, Czech Republic, September UbiquiTalk web: Projet AROUND, site web :