Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La croissance prévisionnelle du trafic aérien est telle que les moyens de gestion actuels doivent évoluer et être améliorés et l'automatisation de certains aspects de cette gestion semble être un moyen pour gérer cet accroissement du trafic tout en gardant comme invariant un niveau de sécurité constant. Toutefois, cette augmentation du trafic pourrait entraîner un accroissement de la variabilité de la performance de l'ensemble des moyens de gestion du trafic aérien, en particulier dans le cas de dégradation de cette automatisation. Les systèmes de gestion du trafic aérien sont considérés comme complexes car ils impliquent de nombreuses interactions entre humains et systèmes, et peuvent être profondément influencés par les aspects environnementaux (météorologie, organisation, stress ...) et tombent, de fait, dans la catégorie des Systèmes Sociotechniques (STS) (Emery & Trist, 1960). A cause de leur complexité, les interactions entre les différents éléments (humains, systèmes et organisations) de ces STS peuvent être linéaires et partiellement non linéaires, ce qui rend l'évolution de leur performance difficilement prévisible. Au sein de ces STS, les systèmes interactifs doivent être utilisables, i.e. permettre à leurs utilisateurs d'accomplir leurs tâches de manière efficace et efficiente. Un STS doit aussi être résilient aux perturbations telles que les défaillances logicielles et matérielles, les potentielles dégradations de l'automatisation ou les problèmes d'interaction entre les systèmes et leurs opérateurs. Ces problèmes peuvent affecter plusieurs aspects des systèmes sociotechniques comme les ressources, le temps d'exécution d'une tâche, la capacité à d'adaptation à l'environnement... Afin de pouvoir analyser l'impact de ces perturbations et d'évaluer la variabilité de la performance d'un STS, des techniques et méthodes dédiées sont requises. Elles doivent fournir un support à la modélisation et à l'analyse systématique de l'utilisabilité et de la résilience de systèmes interactifs aux comportements partiellement autonomes. Elles doivent aussi permettre de décrire et de structurer un grand nombre d'informations, ainsi que de traiter la variabilité de chaque élément du STS et la variabilité liée à leurs interrelations. Les techniques et méthodes existantes ne permettent actuellement ni de modéliser un STS dans son ensemble, ni d'en analyser les propriétés d'utilisabilité et de résilience (ou alors se focalisent sur un sous-ensemble du STS perdant, de fait, la vision systémique). / The current European Air Traffic Management (ATM) System needs to be improved for coping with the growth in air traffic forecasted for next years. It has been broadly recognised that the future ATM capacity and safety objectives can only be achieved by an intense enhancement of integrated automation support. However, increase of automation might come along with an increase of performance variability of the whole ATM System especially in case of automation degradation. ATM systems are considered complex as they encompass interactions involving humans and machines deeply influenced by environmental aspects (i.e. weather, organizational structure) making them belong to the class of Socio-Technical Systems (STS) (Emery & Trist, 1960). Due to this complexity, the interactions between the STS elements (human, system and organisational) can be partly linear and partly non-linear making its performance evolution complex and hardly predictable. Within such STS, interactive systems have to be usable i.e. enabling users to perform their tasks efficiently and effectively while ensuring a certain level of operator satisfaction. Besides, the STS has to be resilient to adverse events including potential automation degradation issues but also interaction problems between their interactive systems and the operators. These issues may affect several STS aspects such as resources, time in tasks performance, ability to adjust to environment, etc. In order to be able to analyse the impact of these perturbations and to assess the potential performance variability of a STS, dedicated techniques and methods are required. These techniques and methods have to provide support for modelling and analysing in a systematic way usability and resilience of interactive systems featuring partly autonomous behaviours. They also have to provide support for describing and structuring a large amount of information and to be able to address the variability of each of STS elements as well as the variability related to their interrelations. Current techniques, methods and processes do not enable to model a STS as a whole and to analyse both usability and resilience properties. Also, they do not embed all the elements that are required to describe and analyse each part of the STS (such as knowledge of different types which is needed by a user for accomplishing tasks or for interacting with dedicated technologies). Lastly, they do not provide means for analysing task migrations when a new technology is introduced or for analysing performance variability in case of degradation of the newly introduced automation. Such statements are argued in this thesis by a detailed analysis of existing modelling techniques and associated methods highlighting their advantages and limitations. This thesis proposes a multi-models based approach for the modelling and the analysis of partly-autonomous interactive systems for assessing their resilience and usability. The contribution is based on the identification of a set of requirements needed being able to model and analyse each of the STS elements. Some of these requirements were met by existing modelling techniques, others were reachable by extending and refining existing ones. This thesis proposes an approach which integrates 3 modelling techniques: FRAM (focused on organisational functions), HAMSTERS (centred on human goals and activities) and ICO (dedicated to the modelling of interactive systems). The principles of the multi-models approach is illustrated on an example for carefully showing the extensions proposed to the selected modelling techniques and how they integrate together. A more complex case study from the ATM World is then presented to demonstrate the scalability of the approach. This case study, dealing with aircraft route change due to bad weather conditions, highlights the ability of the integration of models to cope with performance variability of the various parts of the STS

Cette thèse montre la nécessité de développer des méthodes systémiques d'estimation de la sécurité permettant de tenir compte de l'effet de la variabilité de la performance sur la sécurité de la gestion du trafic aérien. Comme la plupart des systèmes socio-techniques modernes, la gestion du trafic aérien est tellement complexe que il lui est impossible d'être complètement décrite. Comme conséquence directe, sa performance ne peut être complètement explicitée, car elle doit varier afin de correspondre aux conditions réelles. La variabilité de la performance est un inévitable atout pour assurer le fonctionnement d'une organisation. Mais en même temps elle peut représenter une atteinte à la sécurité du système lorsqu'elle se déroule de manière indésirable ou inattendue. Cet argument indique la nécessité de méthodes d'estimation de la sécurité qui puissent traiter la variabilité de la performance. La Functional Resonance Analysis Method (FRAM) a la capacité de modéliser la variabilité de la performance. Cependant, certains points de la FRAM pourraient être améliorés dans le but de développer ses capacités a évaluer la variabilité de la performance. Cette thèse aborde ce point faible et développe une méthodologie pour l'évaluation de la variabilité de la performance. Cette méthodologie a été appliquée dans une étude de cas dans le domaine de la Gestion du Trafic Aérien Allemand. Ses résultats ont été comparés aux résultats officiels obtenus en utilisant l'estimation de la sécurité traditionnelle. La comparaison montre la valeur ajoutée de la méthodologie proposée. En particulier elle illustre la possibilité d'identifier des risques émergents et la contribution humaine a la sécurité d'un système.

Le trafic routier évolue dans un contexte qui a connu trois changements majeurs ces deux dernières décennies : changement politique tout d'abord, avec la remise en cause de la place jusque-là occupée par la voiture en ville ; changement technologique ensuite, par lequel tant le véhicule que son conducteur produisent et reçoivent des données indépendamment des infrastructures de gestion du gestionnaire ; changement financier enfin, alors que les systèmes de gestion du trafic sont très dépendants de finances publiques de plus en plus contraintes.Dans ce contexte, l'auteur, du fait de ses fonctions, adopte le point de vue d'un gestionnaire de voirie clé, la Ville de Paris. En charge de l'évaluation des conséquences techniques des politiques de circulation sur l'écoulement du trafic motorisé, il s'intéresse ici à la manière dont les nouvelles données de trafic renouvellent la connaissance technique du gestionnaire sur la demande.Pour ce faire, l'auteur montre d'abord que les données de trafic et l'information trafic ont toujours été au cœur des préoccupations du gestionnaire. Données et information sont profondément liées à la technologie disponible et aux missions mêmes du gestionnaire. Les développements théoriques, alimentés par les données, tentent ainsi de lier les technologies avec les missions du gestionnaire.Ensuite, à travers l'évaluation technique de politiques de circulation (fermetures de voie, réduction de la vitesse limite) sur la base de deux types de nouvelles données (vitesses GPS et temps de parcours Bluetooth), l'auteur analyse les caractéristiques de ces jeux de données, les résultats auxquels ils permettent de parvenir, et la manière dont ils complètent la connaissance tirée des capteurs fixes historiques. Ces nouveaux jeux de données permettent au gestionnaire d'obtenir une connaissance de la demande du point de vue des usagers, alors que les capteurs fixes fournissent principalement un point de vue collectif de flux. Cette richesse nouvelle d'information redéfinit les schémas de décision du gestionnaire de voirie / Road traffic evolves in a context which has undergone three major changes in the past two decades: first, a political change, reshaping the car's role in cities; second, a technical change, through which both vehicles and drivers emit and receive information independently of road authorities' roadside infrastructure; and finally, a financial change, as traffic management infrastructure has heavily relied on public funding which now becomes scarcer.From the perspective of a key road authority, the City of Paris, the Author, in charge of assessing the impact on traffic flow of major disruptive policies, addresses how new traffic data renews the road authority's knowledge of the traffic, on technical grounds.The Author has worked on Bluetooth travel-time and GPS based Floating Car Data datasets. He believes he makes two major contributions in the field.He first shows that traffic data and traffic information have always been at the core of the road authority's concerns, deeply related to the available technology, the missions of the road authority, and the theory attempting to bridge the gap between the two.Through the technical assessment of traffic-related policies (road closures, speed-limit reduction), based on two types of new traffic data (GPS speeds and Bluetooth travel-times), the Author analyzes the characteristics of the two datasets, the results they yield and how they complement legacy fixed-sensor based data. They allow the road authority to grasp user-perspective information whereas legacy data mostly offered a collective flow perspective. This, in turn, reshapes the decision-making process of road authorities

Cette thèse a pour but de modéliser et d'optimiser deux composantes du système de gestion de flux de trafic aérien : la prédictibilité et la flexibilité. Cette modélisation est équivalente à établir une relation entre la fenêtre temporelle et les taux d'arrivée des avions. Deux approches sont utilisées : l'analyse des données historiques et la modélisation mathématique. L'analyse des données historique a permis de déterminer la fenêtre temporelle raisonnable mais sans pouvoir apporter les améliorations nécessaires pour y arriver. La modélisation mathématique permet non seulement de définir de façon rigoureuse la prédictibilité et la flexibilité mais également de traiter des vols en différents scénarios de priorités. La combinaison de DC algorithme avec des méthodes de résolutions classiques comme Branch and Bound a nettement amélioré la vitesse de la convergence des solutions et donc elle peut être utilisée pour la phase tactique de gestion de flux du trafic aérien. / This thesis aims to model and optimise two components of the air traffic flow management system : predictibility and flexibility. This modelling is equivalent to establishing a relationship between the time window and the rate of arrival flights. Two approachs are used : the analysis of historical data and mathematical modeling. The analysis of historical data was used to establish the relationship between the time window and arrivla rate of flights. It provided the optimal time window but could not show how to modify the system to lead to that time window. Mathematical modeling can not only define the predictability and flexibility in the rigourous manner but also deal with different scenarios of fligths priorities. The combination of DC algorithm with classical methods like Branch and Bound has significantly improved the speed of convergence of solutions and therefore it can be used for the tactical phase of the air traffic flow management.

L'un des défis majeurs de l'évolution de l'architecture Internet est la définition d'une architecture protocolaire permettant d'améliorer le routage, et en particulier (i) conserver un système de routage gérable avec les technologies actuelles et futures c'est-à-dire, avec quelques millions d'états, (ii) offrir une architecture apte à faciliter la programmabilité du plan de transfert, (iii) proposer un système de routage évolutif pouvant être régulièrement optimisé avec uniquement les informations sur les flux actifs, (iv) fournir une séparation entre localisateurs et identificateurs pour la mobilité IP avancée, (v) faciliter un déploiement incrémental, (vi) mieux servir les services applicatifs "over-the-top". Le protocole LISP (\textit{Locator/Identifier Separation Protocol}) a été identifié comme l'un des protocoles émergents à cet égard. Dans son état actuel, il répond très bien aux besoins susmentionnés. Cependant, il subit des limitations lorsqu'il s'agit de prendre en compte la résilience et la capacité à réagir rapidement aux mises à jour de l'état du réseau. Ces inconvénients peuvent être compensés en améliorant l'architecture du plan de contrôle et ses algorithmes de routage. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle architecture réseau-système et expérimentons de nouvelles primitives de plan de contrôle, ainsi que d'algorithmes de diffusion des états, en testant son passage à l'échelle avec différentes conditions de réseau. Nous concevons et construisons d'abord un nœud de plan de données et de plan de contrôle LISP open source. Nous le comparons avec d'autres implémentations en montrant que notre implémentation atteint des performances adaptées aux vrais déploiements. Nous montrons comment notre implémentation a permis la mise en oeuvre d'une plateforme d'expérimentation à grande échelle, la plate-forme LISP-Lab, en opération aussi bien les fonctions de plan de transfert que les fonctions de plan de contrôle. En suite, nous proposons une nouvelle solution pour les migrations à chaud de machines virtuelles à travers des centres de données géographiquement répartis sur des réseaux IP étendus. Des tests dans un testbed réel connecté nativement à Internet montrent qu'avec notre approche, nous pouvons facilement atteindre des temps d'arrêt inférieurs à la seconde lors de la migration sur une grande échelle, même pour des clients très distants. En outre, nous avons étudié des protocoles d'optimisation de réseau multicouche, en particulier en relation avec le protocole MPTCP (Multipath Transport Control Protocol), auquel LISP peut offrir une diversité de chemins pour l’agrégation de bande passante, ainsi qu’une plus grande confidentialité et fiabilité des connexions. Bien que nous ne puissions bénéficier que de quelques nœuds de réseau superposés, nous avons pu évaluer expérimentalement nos propositions en montrant l'impact positif de notre solution, l'impact négatif des longs temps d'aller-rétour sur certains sous-flux MPTCP, et la forte corrélation entre le temps d'aller-retour différentiel et le débit. Enfin, nous avons travaillé sur une refonte du plan de contrôle de LISP afin d’améliorer son fonctionnement du à l'échelle d’Internet, en facilitant la coopération entre les systèmes de mapping LISP et en introduisant plus d'automatisation dans la procédure de fourniture de services de connectivité LISP. Nous croyons qu'une telle optimisation pourrait sensibiliser la communauté des fournisseurs de services, générant de nouvelles opportunités commerciales liées aux services de cartographie LISP et l'application de politiques d'ingénierie de trafic interdomaines avancées dans le but d'obtenir de meilleures garanties de qualité de service. / One of the major challenges in the evolution of the Internet architecture is the definition of a protocol architecture that allows to solve the following major issues in Internet routing and traffic forwarding capabilities, (i) keeping a routing state that is manageable with current and forthcoming computing infrastructure – i.e., with few millions of states, (ii) offering a scalable pull architecture in support of data-plane programmability, (iii) offering a scalable forwarding plane able to be regularly optimized with only active flows information, (iv) offering locator/identifier separation for advanced IP mobility, (v) is incrementally deployable, (vi) can enhance the support of over-the-top services. The Locator/Identifier Separation Protocol (LISP) has been identified as one of the rising protocols in this respect. In its current status, it supports the above mentioned requirements at a level that is acceptable for basic networking environments. However, it shows too limited capacities when it comes to take into consideration fault resiliency and capability to react fast to network state updates. These shortcomings can be compensated by enhancing the control-plane architecture, and the routing algorithms therein. In this dissertation, we propose new protocol features and experiment novel control-plane primitives, as well as hybrid distributed-centralized routing state dissemination algorithms, to scale with different network conditions. We first design and build own open source LISP data-plane and control plane node, comparing it with other implementations, showing how our implementation can scale for large networks and reach performances suitable for real deployments. We present how our implementation served to operate all network nodes (data-plane and control-plane nodes) of a large scale experimentation testbed, the LISP-Lab testbed. Then we propose a novel LISP-based solution for VM live migrations across geographically separated datacenters over wide area IP networks. Experimenting it at large scale, we show that with our approach we can easily reach sub-second downtimes upon Internet-wide migration, even for very distant clients. Moreover, we investigate cross-layer network optimization protocols, in particular in relation with the Multipath Transport Control Protocol (MPTCP) to which LISP can deliver path diversity in support of bandwidth increase, confidentiality support and connection reliability, also using LISP traffic engineering network overlays. Despite we could benefit from only few overlay network nodes, we could experimentally evaluate our proposals showing the positive impact by using our solution, the negative impact of long round-trip times on some MPTCP subflows, and the strong correlation between the differential round-trip time among subflows and the throughput performance. Finally, we worked on a framework to improve LISP operation at the Internet scale, by facilitating cooperation between LISP Mapping Systems and introducing more automation in the LISP connectivity service delivery procedure. We believe such optimization could raise awareness among the service providers’ community, yielding new business opportunities related to LISP mapping services and the enforcement of advanced inter-domain traffic engineering policies for the sake of better quality of service guarantees.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons à la coordination et l'optimisation du trafic aux intersections des réseaux routiers, avec la particularité de considérer des véhicules autonomes intelligents. Cette thèse est organisée en deux grandes parties. La première se concentre sur le problème du partage d'un espace de voie par deux files de véhicules évoluant en sens opposés. L'état de l'art montre le peu de travaux abordant cette question. Nous explorons deux approches par coordination réactive, en relation avec un critère de minimisation des retards. Les performances de ces approches ont été mesurées statistiquement en simulation. La deuxième partie de la thèse s'attaque au problème générique de la gestion du trafic au sein d'un réseau routier. Nous développons une approche originale à deux égards: d'une part elle explore un principe de passage en alternance des flux permettant de ne pas arrêter les véhicules aux intersections, et d'autre part, elle propose des algorithmes d'optimisationdistribuée de ce passage alterné au niveau de chaque intersection et au niveau du réseau global. La thèse présente successivement les choix de modélisation, les algorithmes et l'étude en simulation de leurs performances comparées à desapproches existantes / In this thesis, we focus on traffic coordination and optimization in road intersections, while accounting for intelligent autonomous vehicles. This thesis is organized in two parts. The first part focuses on the problem of sharing a one-lane road between two opposite flows of vehicles. The state of the art shows few studies addressing this issue. We propose two reactive coordination approaches that minimize vehicle delays and measure their performances statistically through simulations. The second part of the thesis addresses the problem of generic traffic management in a traffic network. We develop a stop-free approach that explores a principle alternating vehicles between flows at intersections, and it provides distributed algorithms optimizing this alternation at each intersection and in the overall network. We present the modeling choices, the algorithms and the simulation study of our approach and we compare its performances with existing approaches

L'exploitation de la route désigne l'ensemble des actions visant à rendre la circulation aussi sûre, fluide et confortable que possible. Ce domaine est aujourd'hui en pleine mutation grâce notamment aux progrès des nouvelles technologies de l'information et de la communication. Celles-ci ont favorisé l'émergence d'applications encore incertaines jusqu'à une date récente. Cette révolution technologique est en train de modifier les pratiques dans le domaine de l'exploitation routière. On assiste au développement accéléré des équipements embarqués et systèmes informatiques basés sur une communication entre la route et le véhicule. Ces nouveaux dispositifs sont-ils aptes à remplir des fonctions d'exploitation routière assurées aujourd'hui par des systèmes classiques ? Peuvent-ils constituer une alternative potentielle aux outils existants de recueil de données ? Cette thèse apporte des éléments de réponse à ces questions à travers l'exploration des potentialités des systèmes de communication entre la route et les véhicules à remplir des missions d'exploitation: maintien de la viabilité, gestion de trafic et aide au déplacement. Ces travaux tentent d'appréhender les apports d'un système de communication route - véhicule pour la sécurité et la gestion du trafic routier. Quels sont les enjeux économiques de ces dispositifs et quels en sont les principaux bénéficiaires ? L'étude d'un système déployé sur un tronçon autoroutier expérimental fournit des enseignements sur sa rentabilité économique pour la collectivité et financière pour le gestionnaire d'infrastructures. Les scénarios examinés permettent d'alimenter les réflexions sur des stratégies d'équipement en matière de nouveaux outils de recueil de données et de surveillance d'un réseau autoroutier.

Afin de pouvoir subvenir aux futurs besoins en matière de transport aérien il est nécessaire d'augmenter la capacité de l'espace aérien. Les contrôleurs aériens, qui occupent une place centrale dans la gestion du trafic, doivent quotidiennement faire face à des situations conflictuelles (conflits) lors desquelles deux vols risquent de violer les normes de séparation en vigueur si aucune modification de trajectoire n'est envisagée. La détection et la résolution des conflits potentiels contribuent à augmenter la charge de travail des contrôleurs et peuvent potentiellement les conduire à diriger les vols vers des zones moins denses de l'espace aérien, induisant a posteriori un retard pour les vols. Le problème de la capacité de l'espace aérien peut donc être abordé en régulant les flux de trafic de façon réduire la quantité de conflits aériens. L'objectif de cette thèse est de mettre au point une méthodologie destinée à minimiser les risques de conflits aériens en modifiant légèrement les vitesses des appareils. Cette approche est principalement motivée par les conclusions du projet ERASMUS portant sur la régulation de vitesse subliminale. Ce type de régulation a été conçu de façon à ne pas perturber les contrôleurs aériens dans leur tâche. En utilisant de faibles modulations de vitesse, imperceptibles par les contrôleurs aériens, les trajectoires des vols peuvent être modifiées pour minimiser la quantité totale de conflits et ainsi faciliter l'écoulement du trafic dans le réseau aérien. La méthode retenue pour mettre en œuvre ce type de régulation est l'optimisation sous contrainte. Dans cette thèse, nous développons un modèle d'optimisation déterministe pour traiter les conflits à deux avions. Ce modèle est par la suite adapté à la résolution de grandes instances de trafic en formulant le modèle comme un Programme Linéaire en Nombres Entiers. Pour reproduire des conditions de trafic réalistes, nous introduisons une perturbation sur la vitesse des vols, destinée à représenter l'impact de l'incertitude en prévision de trajectoire dans la gestion du trafic aérien. Pour valider notre approche, nous utilisons un outil de simulation capable de rejouer des journées entières de trafic au dessus de l'espace aérien européen. Les principaux résultats de ce travail démontrent les performances du modèle de détection et de résolution de conflits et soulignent la robustesse de la formulation face à l'incertitude en prévision de trajectoire. Enfin, l'impact de notre approche est évalué à travers divers indicateurs propres à la gestion du trafic aérien et valide la méthodologie développée.

Depuis quelques années, il y a un réel changement dans les usages des réseaux en termes d'applications véhiculées ainsi que dans leur nombre. On voit apparaître de plus en plus d'applications contraintes en termes de délai, comme par exemple la téléphonie sur IP, ainsi que d'applications gourmandes en ressources comme par exemple le Srteaming Video. La croissance en volume de ces applications copmmence à poser des problèmes de congestion dasn les réseaux filiares et sans fil. Les opérateurs réseaux doivent être capables d'absorber ces changements de trafic, de faire face à cette demande de plus en plus intensive en bande passante et de fournir une bonne qualité (QoS) aux applications. Cela nécessite des mécanismes intellignets en termes d'ordonnancement et de gestion des files d'attente, de contrôle d'admission, de contrôle de débit et/ou de routage. L'objectif initial de cette thèse étati d'aboutir à la conception d'une nouvelle architecture de traitement et de gestion du trafic et de la qualité de service pour le contrôle d'admission. Plus précisément nous présentons une nouvelle solution pour le contrôle d'admission qui repose sur l'élaboration en continu d'un plan de connaissance et sur la modélisatio automatique du comportement d'un lien réseau par une file d'attente monoserveur. Norte solution doit permettre d'offrir une garantie probabiliste d'un paramètre de performance QoS qui peut être le délai d'attente moyen des paquets dans le buffer du lien ou le taux de perte. Nous avons évalué les performances de notre nouveau contro^le d'admission par simulation en considérant diverses conditions possibles de trafic. Lers résultats obtenus indiquent que la solution proposée permet d'atteindre un contrôle d'admission ni trop conservateur, ni trop permissif. En outre, notre solution offre l'avantage de se baser uniquement sur une connaisssance acquise au cours du temps et permet ainsi de s'affranchir d'un paramétrage compliqué des paramètres comme c'est le cas pour les solutions classiques de contrôle d'admission