Le contrôle aérien doit faire face à une forte intensification du trafic aérien. Dans cette situation, la problématique de la charge mentale chez les contrôleurs aériens est une préoccupation majeure pour maintenir le niveau de sécurité actuel. Le système d'aide automatisé ERASMUS a été élaboré afin de réduire la charge mentale chez les contrôleurs aériens. L'objectif d'ERASMUS est de compenser les effets liés à l'intensification du trafic en réduisant de manière subliminale la charge mentale associée à l'augmentation des conflits potentiels. L'objectif principal de cette thèse est de proposer pour la première fois une mesure objective de l'impact du système d'aide ERASMUS sur la charge mentale des contrôleurs aériens. La réalisation de cet objectif a nécessité le développement d'une plateforme originale d'enregistrement et de traitement des mouvements oculaires non intrusive dans un environnement de simulation hautement fidèle. Les mouvements oculaires d'un groupe de contrôleurs aériens experts ont été enregistrés. En accord avec l'hypothèse d'ERASMUS, les résultats ont montré des effets de tailles moyennes à grandes sur l'amplitude des saccades, le temps moyen passé sur les aéronefs et sur la distribution de l'attention allouée à la scène visuelle. De plus, sans ERASMUS, l'augmentation de la densité du trafic a augmenté de manière significative les diamètres pupillaires. A l'opposé, quand ERASMUS est actif, l'intensification du trafic n'a pas impacté significativement les diamètres pupillaires. Nous discutons l'impact d'ERASMUS sur la charge mentale ainsi que l'utilisation des mesures oculométriques dans un environnement de simulation écologique de contrôle aérien.

La thèse présente les résultats de recherche sur une méthode de contrôle distribué et coordonné pour la régulation des accès autoroutiers. Le trafic autoroutier est représenté par le modèle Cell Transmission Model (CTM). L'objectif de contrôle principal est de d'obtenir une distribution uniforme de la densité des véhicules sur des portions d'autoroute. Équilibrer la densité est un nouvel objectif de trafic qui peut potentiellement réduire le nombre et l'intensité des accélérations et décélérations et peut par conséquent permettre des voyages plus sécurisés et confortables tout en diminuant la consommation de carburant et les émissions de polluants. En outre, cet objectif prend en compte les paramètres de trafic standards tels que le Temps de Trajet Total et la Distance Totale Parcourue. Une architecture modulaire distribuée est proposée pour le contrôleur. Cela permet de déterminer les décisions optimales à prendre en utilisant uniquement des informations d'état locales et en provenance des contrôleurs voisins.La contribution débute par l'analyse d'ensembles d'équilibre de CTM. L'objectif de cette étude est d'obtenir les conditions qui assurent l'existence et l'unicité des états stationnaire qui sont équilibrées. Dans l'ensemble des états stationnaire, nous sommes intéressés à la sélection du point qui maximise la Distance Totale Parcourue. Sont discutés ensuite les aspects de la mise en œuvre et les limites de la méthode proposée. Enfin, plusieurs études de cas sont présentées appuyant les résultats d'analyse et examinant l'efficacité de la méthode proposée.La majeure partie de la thèse vise à concevoir un dispositif de commande optimale pour équilibrer la densité du trafic routier. L'optimisation est réalisée de manière répartie. En utilisant les propriétés de contrôlabilité, l'ensemble des sous-systèmes devant être contrôlés par des feux aux rampes d'accès sont identifiés. Le problème d'optimisation est alors formulé comme de Nash du jeu dans un environnement non coopératif. Le jeu est résolu en le décomposant en une série de jeux à deux joueurs hiérarchiques et compétitifs. Le processus d'optimisation emploie des canaux de communication qui correspond à la structure de commutation de l'interconnexion de système. L'approche alternative pour équilibrer emploie la théorie des systèmes multi-agents. Chacun des contrôleurs est pourvu d'une structure à rétroaction assurant que les états au sein de son sous-système atteignent des valeurs communes par l'évaluation de protocoles de consensus. Dans ces structures, un problème de contrôle optimal minimisant le Temps de Trajet Total est formulé. Le contrôleur distribué fondé sur le jeu de Nash est validé grâce des simulations microscopiques Aimsun. Le scénario de test comprend des données de trafic provenant de la rocade sud de Grenoble. / The thesis presents the results of research on distributed and coordinated control method for freeway ramp metering. The freeway traffic is represented by the Cell-Transmission Model. The primary control objective is to provide a uniform distribution of vehicle densities over freeway links. Density balancing is a new traffic objective which can potentially reduce the number and intensity of acceleration and deceleration events and therefore, it can make a travel more safety and comfortable while decreasing fuel consumption and emissions. In addition, the objective takes into account standard traffic metrics like Total Travel Distance and Total Travel Spent. For the controller, a distributed modular architecture is assumed. It enables to compute the optimal decisions by using only local state information and some supplementary information arriving from the neighbouring controllers.The contributing part begins with the analysis on equilibrium sets of the Cell-Transmission Model. The goal of this study is to derive the conditions that assure the existence and the uniqueness of the balanced equilibrium states. The next step is to find a set of inputs such that the resulting equilibrium state is balanced. In the set of balanced equilibria, we are interested in the selection of the point that maximizes the Total Travel Distance. In the sequel, the implementation aspects and limitations of the proposed method are discussed. Finally, several case studies are presented to support the analysis results and to examine the effectiveness of the proposed method.The major part of the thesis aims on a design of an optimal controller for balancing the traffic density. The optimization is performed in a distributed manner. By using controllability properties, the set of subsystems to be controlled by local ramp meters are identified. The optimization problem is then formulated as a non-cooperative Nash game. The game is solved by decomposing it into a set of two-players hierarchical and competitive games. The process of optimization employs the communication channels matching the switching structure of system interconnectivity. The alternative approach of balancing employs the theory of multi-agent systems. Each of the controllers is provided with a feedback structure assuring that the states within its local subsystem achieve common values by evaluating consensus protocols. Under these structures, an optimal control problem to minimize the Total Travel Spent is formulated. The distributed controller based on the Nash game is validated via Aimsun micro-simulations. The testing scenario involves the traffic data collected from the south ring of Grenoble.

Les ressources d'un réseau informatique sont partagées par un grand nombre d'utilisateurs, le réseau peut devenir congestionné voire saturé. Le contrôle de congestion est un élément critique garantissant son bon fonctionnement. Encore récemment, les problématiques d'ingénierie de trafic et de QoS n'étaient pas explorées dans le cadre des réseaux CCN (Content-Centric Networking).L'objectif de cette thèse consiste à évaluer l'impact de la congestion dans CCN, à concevoir un mécanisme de contrôle de congestion et à en évaluer l'efficacité.Nous avons réalisé une telle solution en deux temps. D'une part, nous proposons le mécanisme HoBHIS qui repose sur l'équilibrage de flot définie dans CCN. Ce mécanisme, déployé sur chaque routeur CCN, consiste à surveiller les échanges réalisés sur un même tampon de transmission. Il contrôle dynamiquement le taux d'envoi des demandes de contenu afin de garantir qu'au niveau du goulot d'étranglement, la taille de la file d'attente des paquets de donnée correspondante tende vers un seuil préconfiguré. D'autre part, nous proposons un mécanisme contrôlant le débit d'envoi d'un client afin d'éviter une congestion des files d'attente des noeuds CCN impliqués dans la communication.Nous avons prouvé mathématiquement l'efficacité de nos mécanismes et évalué leur performance à l'aide du simulateur ndnSIM.Les résultats de notre travail sont publiés dans des conférences internationales renommées. Nous avons aussi collaboré avec Cisco Systems (Boston, USA), qui s'est intéressé à nos travaux. Les résultats issus de cette collaboration sont publiés dans un article international qui a reçu un "Best Paper Award" et sont présentés dans cette thèse. / The network resources are shared between a large number of users. It may potentially create a risk for buffer overflow and performance degradation. That is why congestion control is critical to guarantee network performance. Congestion control schemes have been widely studied in the past but only recently in the context of CCN (Content-Centric Networking).This thesis explores the congestion control risk of CCN, identifies the bottlenecks and proposes strategies to circumvent them. We have designed our original hop-by-hop Interest shaping mechanism (HoBHIS) that nicely exploits the flow balance enforced in CCN between Interest and Chunk packets. It monitors active conversations sharing the transmission buffer of a CCN node face in order to dynamically adjust their Interest sending rate and enforce the Chunk queue length to converge to a defined objective. This mechanism is implemented in each CCN node. Then, we extended HoBHIS in order to address several important concerns that might occur in CCN. We proposed a Tolerance mechanism that controls the Clients sending rate as well as prevents the loss of Interest packets. We demonstrated the efficiency of our mechanisms through mathematical proofs and simulations performed in ndnSIM.Our results have been published in international conferences. The work has generated interest from the networking community. Particularly, "Cisco Systems" invited us to join their project on developing Named-Data Networking (NDN) traffic control mechanism. As one of the important results of this collaboration is a research article that got a SIGCOMM ICN workshop’13 “Best paper award”. This paper is also presented as a part of the dissertation.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la programmation mathématique appliquée à la séparation d’aéronefs stabilisés en altitude. L’objectif est le développement d’algorithmes de résolution de conflits aériens ; l’enjeu étant d’augmenter la capacité de l’espace aérien afin de diminuer les retards et d’autoriser un plus grand nombre d’aéronefs à suivre leur trajectoire optimale. En outre, du fait de l’imprécision des prédictions relatives à la météo ou à l’état des aéronefs, l’incertitude sur les données est une caractéristique importante du problème. La démarche suivie dans ce mémoire s’attache d’abord au problème déterministe dont l’étude est nettement plus simple. Pour cela, quatre modèles basés sur la programmation non linéaire et sur la programmation linéaire à variables mixtes sont développés en intégrant notamment un critère reflétant la consommation de carburant et la durée de vol. Leur comparaison sur un ensemble de scénarios de test met en évidence l’intérêt d’utiliser un modèle linéaire approché pour l’étude du problème avec incertitudes. Un champ de vent aléatoire, corrélé en temps et en espace, ainsi qu’une erreur gaussienne sur la mesure de la vitesse sont ensuite pris en compte.Dans un premier temps, le problème déterministe est adapté en ajoutant une marge sur la norme de séparation grâce au calcul d’une approximation des probabilités de conflits. Finalement, une formulation stochastique avec recours est développée. Ainsi, les erreurs aléatoires sont explicitement incluses dans le modèle afin de tenir compte de la possibilité d’ordonner des manoeuvres de recours lorsque les erreurs observées engendrent de nouveaux conflits. / This thesis belongs to the field of mathematical programming, applied to the separation of aircraft stabilised on the same altitude. The primary objective is to develop algorithms for the resolution of air conflicts. The expected benefit of such algorithm is to increase the capacity of the airspace in order to reduce the number of late flights and let more aircraft follow their optimal trajectory. Moreover, meteorological forecast and trajectory predictions being inexact,the uncertainty on the data is an important issue. The approach that is followed focuses on the deterministic problem in the first place because it is much simpler. To do this, four nonlinear and mixed integer linear programming models, including a criterion based on fuel consumption and flight duration, are developed. Their comparison on a benchmark of scenarios shows the relevance of using an approximate linear model for the study of the problem with uncertainties.A random wind field, correlated in space and time, as well as speed measures with Gaussianerrors are then taken into account. As a first step, the deterministic problem is adapted by computinga margin from an approximate calculation of conflict probabilities and by adding it tothe reference separation distance. Finally, a stochastic formulation with recourse is developed.In this model, the random errors are explicitly included in order to consider the possibility of ordering recourse actions if the observed errors cause new conflicts.

Le contrôle aérien doit faire face à une forte intensification du trafic aérien. Dans cette situation, la problématique de la charge mentale chez les contrôleurs aériens est une préoccupation majeure pour maintenir le niveau de sécurité actuel. Le système d’aide automatisé ERASMUS a été élaboré afin de réduire la charge mentale chez les contrôleurs aériens. L’objectif d’ERASMUS est de compenser les effets liés à l’intensification du trafic en réduisant de manière subliminale la charge mentale associée à l’augmentation des conflits potentiels. L’objectif principal de cette thèse est de proposer pour la première fois une mesure objective de l’impact du système d’aide ERASMUS sur la charge mentale des contrôleurs aériens. La réalisation de cet objectif a nécessité le développement d’une plateforme originale d’enregistrement et de traitement des mouvements oculaires non intrusive dans un environnement de simulation hautement fidèle. Les mouvements oculaires d’un groupe de contrôleurs aériens experts ont été enregistrés. En accord avec l’hypothèse d’ERASMUS, les résultats ont montré des effets de tailles moyennes à grandes sur l’amplitude des saccades, le temps moyen passé sur les aéronefs et sur la distribution de l’attention allouée à la scène visuelle. De plus, sans ERASMUS, l’augmentation de la densité du trafic a augmenté de manière significative les diamètres pupillaires. A l’opposé, quand ERASMUS est actif, l’intensification du trafic n’a pas impacté significativement les diamètres pupillaires. Nous discutons l’impact d’ERASMUS sur la charge mentale ainsi que l’utilisation des mesures oculométriques dans un environnement de simulation écologique de contrôle aérien. / Air Traffic Control has to handle the strong and constant increase in air traffic density. In this context, mental workload experienced by air traffic controllers is a key research concept to maintain the actual safety level. ERASMUS is an automated aid system designed to reduce air traffic controllers’ workload. The purpose of ERASMUS is to compensate the effects of the air traffic growth by reducing the increased mental workload associated with a greater number of potential conflicts. Prior experiments designed to validate the ERASMUS system showed a reduction in ratings of mental workload, but only subjectives measures were used. In the present thesis, the first goal is to complete these first results by providing, for the first time, a real time objective measure of controllers’ mental workload. In this purpose, we had to develop a new non-intrusive eye-tracking platform in a fully realistic simulation environment. The eye movements of seven controllers, placed in a high-fidelity simulation, were recorded. Traffic sequences were manipulated (with vs. without ERASMUS). Consistent with a reduced workload hypothesis, results showed medium to large effects of ERASMUS on the amplitude of saccades, on the time spent gazing aircraft, and on the distribution of attention over the visual scene. Moreover, without ERASMUS, growth in the traffic density significantly increased pupil diameters. In contrast, when ERASMUS was activated, traffic density growth did not impact significantly pupil diameters. Finally, we discuss the impact of ERASMUS on mental workload and the use of pupillometric measures in an ecological air traffic control environment.

La régulation adaptative des feux de signalisation est un problème très important. Beaucoup de chercheurs travaillent continuellement afin de résoudre les problémes liés à l’embouteillage dans les intersections urbaines. Il devient par conséquent très utile d’employer des algorithmes intelligents afin d’améliorer les performances de régulation et la qualité du service. Dans cette thèse, nous essayons d'étudier ce problème d’une part à travers une modèlisation microscopique et dynamique en temps discret, et d’autre part en explorant plusieurs approches de résoltion pour une intersection isolée ainsi que pour un réseau distribué d'intersections.La première partie se concentre sur la modélisation dynamique des problèmes des feux de signalisation ainsi que de la charge du réseau d’intersections. Le mode de la “séquence de phase adaptative” (APS) dans un plan de feux est d'abord considéré. Quant à la modélisation du contrôle des feux aux intersections, elle est formulée grâce à un processus décisionnel de markov (MDP). En particulier, la notion de “l'état du système accordable” est alors proposée pour la coordination du réseau de trafic. En outre, un nouveau modèle de “véhicule-suiveur” est proposé pour l'environnement de trafic. En se basant sur la modélisation proposée, les méthodes de contrôle des feux dans cette thèse comportent des algorithmes optimaux et quasi-optimaux. Deux algorithmes exacts de résolution basées sur la programmation dynamique (DP) sont alors étudiés et les résultats montrent certaines limites de cette solution DP surtout dans quelques cas complexes où l'espace d'états est assez important. En raison de l’importance du temps d’execution de l'algorithme DP et du manque d'information du modèle (notamment l’information exacte relative à l’arrivée des véhicules à l’intersection), nous avons opté pour un algorithme de programmation dynamique approximative (ADP). Enfin, un algorithme quasi-optimal utilisant l'ADP combinée à la méthode d’amélioration RLS-TD (λ) est choisi. Dans les simulations, en particulier avec l'intégration du mode de phase APS, l'algorithme proposé montre de bons résultats notamment en terme de performance et d'efficacité de calcul. / Adaptive traffic signal control is a decision making optimization problem. People address this crucial problem constantly in order to solve the traffic congestion at urban intersections. It is very popular to use intelligent algorithms to improve control performances, such as traffic delay. In the thesis, we try to study this problem comprehensively with a microscopic and dynamic model in discrete-time, and investigate the related algorithms both for isolated intersection and distributed network control. At first, we focus on dynamic modeling for adaptive traffic signal control and network loading problems. The proposed adaptive phase sequence (APS) mode is highlighted as one of the signal phase control mechanisms. As for the modeling of signal control at intersections, problems are fundamentally formulated by Markov decision process (MDP), especially the concept of tunable system state is proposed for the traffic network coordination. Moreover, a new vehicle-following model supports for the network loading environment.Based on the model, signal control methods in the thesis are studied by optimal and near-optimal algorithms in turn. Two exact DP algorithms are investigated and results show some limitations of DP solution when large state space appears in complex cases. Because of the computational burden and unknown model information in dynamic programming (DP), it is suggested to use an approximate dynamic programming (ADP). Finally, the online near-optimal algorithm using ADP with RLS-TD(λ) is confirmed. In simulation experiments, especially with the integration of APS, the proposed algorithm indicates a great advantage in performance measures and computation efficiency.

Cette thèse se place dans le contexte de la croissance soutenue du trafic aérien. Elle concerne l'assistance automatisée au contrôle du trafic aérien qui vise à augmenter la capacité des secteurs de contrôle en transférant à l'équipage certaines tâches de nos jours dévolues au contrôleur aérien. Il s'agit plus particulièrement de renforcer la coopération entre l'équipage et le contrôleur aérien en vue de faciliter la tache de régulation des flux de trafic aérien. Le travail réalisé dans cette thèse est relatif à la mise en oeuvre de techniques de commande des systèmes non linéaires à plusieurs échelles de temps. Il a été réalisé à l'initiative du Centre d'Etudes de La Navigation Aérienne (CENA) au LAAS du CNRS à Toulouse en collaboration avec l'Ecole Nationale de l'Aviation Civile (ENAC). De manière concrète, il consiste principalement en la synthèse et l'évaluation de lois de guidage permettant la navigation relative entre aéronefs. Ces lois de guidage pourraient être embarquées à bord des aéronefs afin d'aider le contrôleur aérien dans sa tâche de régulation des flux de trafic. Au chapitre II, nous commençons par présenter le contexte actuel du contrôle du trafic aérien et les voies actuelles d'investigation dans le domaine de son automatisation. Cette présentation permet de distinguer deux types de guidage relatif : d'une part le guidage relatif en temps où l'aéronef suiveur vient se placer sur la position qu'occupait le leader quelques minutes plus tôt, et d'autre part le guidage relatif en distance où l'aéronef suiveur vient se placer à une distance donnée du leader. Un état de l'art sur les lois de guidage relatif entre aéronefs est ensuite réalisé au chapitre III. Comme il existe très peu de références bibliographiques dédiées aux lois de commande pour le guidage relatif entre aéronefs de transport commercial, l'état de l'art s'est focalisé sur les lois de commande appliquées au vol en formation d'engins volants, dont le guidage relatif peut être considéré comme un cas particulier (il englobe en plus la phase de rejointe de la formation). Un modèle de synthèse décrivant la dynamique de guidage d'un avion de transport commercial dont les fonctions de pilotage sont automatisées est ensuite proposé au chapitre IV. Ce modèle permet une synthèse hiérarchisée de lois de guidage relatif en s'appuyant sur les fonctions de pilotage classique de l'avion. Après avoir envisagé l'utilisation de lois linéaires de type proportionnelle et dérivée et précisé les objectifs de commande en terme de spécification des modes propres au chapitre V, deux techniques de commande non linéaire sont alors mises en oeuvre : le backstepping et le bouclage linéarisant basé sur la propriété de platitude. Au chapitre VI, deux lois de guidage basées sur la technique du backstepping sont développées. Elles permettent de réaliser un guidage relatif en temps. L'utilisation de cette technique permet de contourner un problème de singularité des lois conçues par des méthodes de type bouclage linéarisant lorsque les écarts sont exprimés dans le repère lié à l'avion suiveur. La loi de guidage basée sur la propriété de platitude du modèle de synthèse est développée au chapitre VII. Elle permet de réaliser un guidage relatif en distance. L'intérêt de cette approche est qu'elle permet de tenir compte de la contrainte d'espacement entre les aéronefs afin de renforcer la sécurité des manoeuvres de guidage relatif. Ces trois approches (loi proportionnelle et dérivée, backstepping et bouclage linéarisant basé sur la platitude) sont évaluées dans un dernier temps au chapitre VIII sur un jeu de scenarii réaliste d'un point de vue contrôle du trafic aérien. Le chapitre IX apporte la conclusion générale à cette thèse : il fait le bilan des résultats obtenus et indique de nouvelles pistes d'investigation dans ce domaine.