Exploitation du conflit entre capteurs pour la gestion d'un système complexe multi-capteurs

Exploitation of conflict between sensors for the management of a complex multisensor system

• Auteur / Autrice : Arnaud Roquel
• Direction : Sylvie Le Hégarat, Isabelle Bloch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) - Institut d'électronique fondamentale
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Le Hégarat, Isabelle Bloch, Michèle Rombaut, Véronique Berge-Cherfaoui, Roger Reynaud, Anne-Laure Jousselm
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michèle Rombaut, Véronique Berge-Cherfaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de Dempster-Shafer

Fusion multicapteurs

Mots clés libres

Système multi-capteurs

Fusion de données

Diagnostique

Gestion de conflit

Théorie de l’incertain

Théorie des fonctions de croyances

Localisation

Multisensor system

Data fusion

Diagnostic

Conflict management

Theory of uncertainty

Theory of belief functions

Localization.

Résumé

Les systèmes complexes intègrent aujourd’hui de nombreux capteurs physiques ou logiques qui facilitent la prise de décisions optimales en fonction de l’exosystème et de l’endosystème. Ces capteurs sont des sources de données, qui délivrent des informations partielles, imprécises et/ou incertaines, partiellement complémentaires et partiellement redondantes. La théorie des fonctions de croyances offre un cadre formel adapté à la représentation de l’imprécision et de l’incertitude des informations. Cependant, même en modélisant l’ignorance et l’imprécision des sources, l’absence de conflit entre les sources n’est toutefois pas garantie.Dans la théorie des fonctions de croyances, le désaccord entre sources est classiquement mesuré en termes de conflit ‘Dempsterien’, celui résultant de la combinaison conjonctive des sources, ou de dis-similarité ou distances entre fonctions de croyance. Toutes ces mesures sont globales, et ne donnent pas d’information directe sur la source du conflit.La contribution principale de cette thèse est de décomposer le conflit Dempsterien dans le but d'analyser celui-ci. Nous proposons une décomposition par rapport aux différentes hypothèses simples ou composées, issues de l'espace de discernement. Nous montrons l’unicité de cette décomposition et explicitons l’algorithme de calcul, à partir de la décomposition canonique de la fonction de croyance. Nous interprétons alors chacun des termes de la décomposition comme la contribution au conflit global, apportée par chaque hypothèse simple ou composée. Cette décomposition s’applique à l’analyse du confit intra-source (i.e. le conflit inhérent à la source) ou du conflit inter-sources (i.e. le conflit qui apparait lors de la fusion des sources). Nous illustrons sur des exemples jouets comment l’observation de la répartition du conflit par rapport aux différentes hypothèses peut permettre l’identification de l’origine de certains conflits. Trois applications de notre mesure sont ensuite développées, afin d’illustrer son utilité.La première application concerne la détection préventive de chute un véhicule type bicycle (moto). Les sources de données sont les accélérations mesurées sur les deux roues. Un conflit entre ces mesures, supposées hautement redondantes, voire corrélées, sera alors interprété comme un début de chute. Nous montrons que la décomposition du conflit fournit un indicateur de chute plus fin et précoce que la mesure du conflit Dempsterien.La deuxième application concerne la localisation de véhicule, problème essentiel pour l’autonomie des véhicules d'exploration comme des robots de service. Les sources sont des sorties d’algorithmes d’estimation de mouvement du véhicule. Nous montrons d’abord qu’estimer dynamiquement la fiabilité des sources permet d’améliorer la fusion. Nous montrons ensuite que la décomposition du conflit permet une mesure plus fine de la fiabilité de la fusion que la mesure du conflit Dempsterien. En cas de conflit détecté, l’estimation de la fiabilité de chaque source est ensuite fondée sur la vérification (ou non) d’une hypothèse de régularité temporelle, vérification elle-même basée sur une mesure de distance locale aux hypothèses simples ou composées. La troisième application propose une généralisation de la combinaison hybride de Dubois Prade au cas de la combinaison à N sources. Notre mesure calculant le conflit partiel associé à chaque sous-ensemble d’hypothèses, en nous inspirant du principe de la règle de combinaison hybride, nous redistribuons la masse de ce conflit partiel à la disjonction des hypothèses du sous-ensemble. La décomposition du conflit permet d’identifier de manière unique les différents sous-ensembles d’hypothèses contribuant au conflit.En conclusion, les travaux ont montré que l’information issue de la mesure du conflit, et de sa décomposition, pouvait (devait) être considérée comme une information à part entière, permettant notamment la gestion des sources et des croyances à fusionner.

Complex systems are now integrating many sensors, physical or logical, in order to be able to take the best decision knowing the exosystem and endosystem. These sensors are data sources, which deliver partial information, imprecise and/or uncertain, partially complementary and partially redundant. The theory of belief functions is now widely used in data fusion because it provides a formal framework for the representation of both imprecise and uncertainty information. However, even modeling the ignorance and the imprecision of the sources, the source combination usually lets appear some disagreement/conflict between sources.A disagreement between sources makes the system unstable and can impact the decision. Thus, for managing the disagreement, several authors have developed different combination rules where the “Dempster's conflict” is transferred to a set of elements. A few works have proposed to consider the conflict as a piece of information exploitable beyond the scope of the combination. In this work, we aim at decomposing the Dempster's conflict in order to better interpret it. We propose a decomposition with respect to different assumptions simple or compound of discernment space. We show the uniqueness of this decomposition and we specify the algorithm, based on the canonical decomposition of belief function. We then interpret each term of the decomposition as the contribution, to global conflict, brought by each hypothesis simple or compound. This decomposition is applied to the analysis of intra-conflict source (i.e. the conflict inherent in the source) or inter-conflict sources (i.e. the conflict appearing during the fusion of sources). We illustrate on toy examples how observing the distribution of conflict with respect to different assumptions may allow the identification of the origin of some conflicts.Three applications of our measurement have been developed to illustrate its usefulness.The first application deals with the preventive detection of fall for motorbike. Typical data sources are speed and accelerations measured on each of the two wheels. A conflict between these measures, supposed highly redundant or even correlated, should be interpreted as an early fall (sliding, shock). We show that the decomposition of conflict provides a finer and earlier indicator of fall than Dempster's conflict.The second application is the localization of the vehicle, the key issue being for autonomous exploration vehicles such as service robots. The sources are outputs of algorithms estimating the movement of the vehicle (such as odometers, visual odometry, FastSLAM). We first show that estimating the reliability of sources dynamically improves fusion. We then show that the decomposition of conflict allows a more refined measure of the fusion reliability than Dempster's conflict. Now, when conflict is detected, the estimation of the reliability of each source is based on the verification (or not) of an assumption of temporal regularity, verification itself based on a distance measure local to the discernment space hypotheses.The third application is the generalization of the hybrid combination [Dubois and Prade, 1988] to the case of N sources. Our measure calculates the partial conflicts associated with each subset of hypotheses. Following the hybrid combination [Dubois and Prade, 1988] principle, we redistribute the mass associated to a partial conflict on the disjunction of the hypotheses involving this partial conflict. In this redistribution, our decomposition of the conflict is essential since it allows identifying uniquely the various sub-sets of hypotheses involving partial conflicts.In conclusion, this work has shown that the information derived from the conflict measurement, and its decomposition could (should) be considered a full information, particularly for the management of sources and beliefs to combine.