Optimisation de réseaux de capteurs sans fil pour le suivi de cibles mobiles

par Charly Lersteau

Thèse de doctorat en Stic

Sous la direction de Marc Sevaux.

Soutenue le 20-09-2016

à Lorient , dans le cadre de École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (COMUE) et de Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance [Lorient] (laboratoire) .


  • Résumé

    Les réseaux de capteurs sans fil suscitent une attention croissante depuis quelques années, tant les applications sont nombreuses, incluant notamment le suivi de véhicules ou la surveillance de champs de bataille. Un ensemble de capteurs disséminé aléatoirement a pour but de surveiller des cibles se déplaçant dans une région donnée. Chaque capteur a une durée de vie limitée et deux états : actif ou inactif. Un capteur actif peut surveiller des cibles dans son rayon de portée, au prix d'une consommation d'énergie. Dans cette thèse, les problèmes étudiés consistent à déterminer un ordonnancement optimal d'activités de surveillance, afin de couvrir toutes les cibles à tout instant de la mission. Nous abordons en premier lieu un problème d'ordonnancement robuste. Une cible dont on connaît la trajectoire spatiale avec précision est sujette à incertitude temporelle. Cette situation est rencontrée lorsqu'un avion vole dans un couloir aérien, qu'un train circule sur une voie ferrée, ou que de tout autre véhicule suit un itinéraire pré-déterminé. L'objectif est de calculer un ordonnancement d'activités capable de résister au plus grand écart par rapport aux dates prévisionnelles de passage de la cible. Ce premier problème est résolu à l'aide d'un algorithme exact pseudo-polynomial, reposant sur une dichotomie. En second lieu, nous étudions le problème visant à préserver la capacité de surveillance du réseau de capteurs dans un contexte multi-missions. Les cibles sont maintenant sujettes à une incertitude spatiale, c'est-à-dire susceptibles de se trouver à une distance inférieure à un seuil delta de leur position prévisionnelle. Ce second problème est résolu à l’aide d’un algorithme exact basé sur la génération de colonnes, et accéléré par une métaheuristique. Les méthodes de résolution proposées ont en commun une étape préliminaire, appelée discrétisation, qui conduit à reformuler les problèmes originaux comme des problèmes d'ordonnancement d'activités de surveillance. L'espace de surveillance est découpé en faces, ensembles de points couverts par un même sous-ensemble de capteurs. Le calcul des durées de séjour des cibles dans chaque face permet de découper la durée de la mission en fenêtres de temps, et d'envisager le problème de couverture de cibles mobiles comme une séquence de problèmes de couverture de cibles immobiles. Les algorithmes proposés pour aborder ces problèmes sont testés sur de nombreuses instances, et leurs résultats sont analysés. De nombreuses perspectives ouvertes par ces travaux sont également présentées.

  • Titre traduit

    Optimisation of wireless sensor networks for mobile target tracking


  • Résumé

    Wireless sensor networks have received a particular attention during the last years, involving many applications, such as vehicle tracking or battlefield monitoring. A set of sensors is randomly dispatched in a region in order to monitor moving targets. Each sensor has a limited battery lifetime and two states: active or inactive. An active sensor is able to monitor targets inside its sensing radius, which consumes energy. In this thesis, the studied problems consist in deciding an optimal schedule of sensing activities, in order to cover all the targets at any instant of the mission. First, we study a robust scheduling problem. A target such that the spatial trajectory is exactly known is subject to temporal uncertainties. This context is met for a plane flying in an airline route, a train running on a railway, or any vehicle following a predetermined path. The objective is to compute a schedule of activities able to resist to the largest uncertainties This first problem is solved using an exact pseudo-polynomial algorithm, relying on a dichotomy. Second, we study a problem aiming at preserving enough sensor network capacity in order to perform further missions. For this problem, the targets are subject to spatial uncertainties, i.e. their actual position may be at a distance delta of their expected position. This second problem is solved using an exact algorithm based on column generation, accelerated by a metaheuristic. All the proposed methods have a common phase, called discretization, that leads to reformulate the original problems as activity scheduling problems. The monitored area is split into faces, that are defined as sets of points covered by the same set of sensors. Computing the stay duration of targets inside each face leads to split the mission duration into time windows, so the moving target tracking problem can be seen as a sequence of static target tracking problems. The proposed algorithms are tested on many instances, and the analysis of the results is provided. Numerous open perspectives of this work are also given.


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