Matériaux communicants : modélisation et gestion de la consommation d’énergie

Communicating materials : modeling and management of energy consumption

• Auteur / Autrice : Hang Wan
• Direction : William Derigent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 13/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en automatique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Hind El Haouzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : William Derigent, Jean-Marc Thiriet, Yves Sallez, Nathalie Julien, Michaël David
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Thiriet, Yves Sallez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement réparti

Simulation, Méthodes de

Économies d'énergie

Réseaux de capteurs (technologie)

Béton

Objets coopérants (informatique)

Matériaux

Internet des objets

Mots clés libres

Matériaux communicants

Réseau de capteurs sans fil

Traitement en réseau

Modèle de consommation d'énergie

Système multi-Agents

Communicating Materials

Wireless Sensor Network

In-Network Processing

Energy consumption model

Multi-Agent System

Résumé

Avec la popularisation de l’Internet des Objets, de plus en plus de produits intelligents apparaissent dans notre vie. Le projet McBIM (Matière communicante au service du BIM-Building Information Modelling) vise à concevoir un nouveau type de « béton communicant » qui est le béton équipé d'un réseau de capteurs sans fil embarqué (RSCF). Ce béton communicant est capable de mesurer des phénomènes physiques, de stocker des informations et d'échanger des données avec des plateformes BIM. Pour démontrer l'utilité du concept sur l'ensemble du cycle de vie, l'exigence de service à long terme pose des défis relatifs à la durée de vie du réseau intégré dans la matière. Dans le même temps, la grande quantité de données de surveillance posent des défis relatifs à la gestion d'informations. Dans ces travaux, nous proposons de coupler le béton communicant physique à sa représentation digitale. Ce système externe et intelligent doit pouvoir permettre à terme de prolonger la durée de vie du réseau. La partie physique étudie des méthodes d'économie d'énergie applicables à la collecte de données dans les réseaux de capteurs, afin de comprendre comment prolonger la durée de vie de réseau et construire un modèle de consommation d'énergie du réseau. Le routage du réseau, le traitement des données dans le réseau (In-Network Processing) et la synchronisation des nœuds sont pris en compte pour construire un modèle de consommation énergétique du réseau embarqué, modèle validé avec une plate-forme Arduino-XBee. L'expérience montre que le modèle d'estimation de l'énergie fournit une approximation précise de l'énergie restante, pouvant être utilisée en ligne par les nœuds ou à distance par un utilisateur. La gestion de l'énergie du réseau et des modes de collecte peut-être réalisée par un système multi-agents dédié. La partie digitale est construite avec un système multi-agents, pouvant non seulement stocker les données de surveillance, mais également fournir des stratégies de collecte de données. La composition des éléments communicants peut intervenir en phase de construction ou d'exploitation. Une architecture multi-agents récursive est proposée pour répondre à cette exigence de flexibilité. Ce système multi-agents est implémenté sur une plateforme de simulation 3D pour visualiser le béton communicant et vérifier la validité de notre modèle énergétique analytique. L'architecture multi-agents récursive fournit des solutions efficaces pour estimer l'énergie résiduelle dans la matière, afin de prolonger la durée de vie du réseau et répondre aux changements environnementaux.

With the popularization of the Internet of Things, more and more intelligent products appear in our daily life. The McBIM project (Materials communicating with the Building Information Modelling) aims to design a new type of “communicating concrete”: concrete elements equipped with embedded wireless sensor network (WSN). This communicating concrete can measure the physical environment, store the information and exchange data with BIM platforms. One objective is to demonstrate the usefulness of the concept over the whole building lifecycle and the energy management is one of the facing challenges. Meanwhile, the product, user information as well as the large amount of monitoring data bring challenges regarding data management. To solve both issues, this work proposes to couple the physical communicating concrete to an external, digital and intelligent system in order to extend network lifetime. In this thesis, these physical and digital parts are both studied. In the physical part, energy saving methods are reviewed, to understand how to extend the network lifetime. Network routing, in-network data processing and time synchronization are considered to build an energy model for periodic data collection. This energy model is validated with an Arduino-XBee based platform. The experiment shows that the analytic energy estimation model provides an approximate but accurate remaining energy level. It can be used online by nodes or remotely by user to the remaining energy. Energy-related data and collection modes can be managed by the digital part, based on a multi-agent system (MAS). The MAS can not only store monitoring data of communicating elements but also provide energy efficient data collection or organization strategies. Composition of communicating elements may happen in construction or exploitation lifecycle’s phase to reduce energy consumption. A recursive multi-agent architecture is proposed to meet high flexibility requirements. This multi-agent system is implemented on a 3D simulation platform to visualize the communicating concrete and verify the usefulness of our analytic energy model. The recursive multi-agent architecture provides energy efficiency solutions to extend network lifetime and respond to environmental changes.