Grâce aux progrès de miniaturisation des systèmes embarqués, les mini-drones qu'on appelle en anglais Small Unmanned Aerial Vehicle (UAVs) sont apparus et permettent de réaliser des applications civiles à moindres coûts. Pour améliorer leurs performances sur des missions complexes (par exemple, pour contourner un obstacle), il est possible de déployer une flotte de drones coopératifs afin de partager les tâches entre les drones. Ce type d'opération exige un niveau élevé de coopération entre les drones et la station de contrôle. La communication entre les drones de la flotte est donc un enjeu important dans la réalisation des opérations d'une flotte de drones. Parmi les différentes architectures de communication qui existent, le réseau ad hoc s'avère être une solution efficace et prometteuse pour l'opération d'une flotte de drones. Un réseau ad hoc de drones ou UAV Ad hoc Network (UAANET) est un système autonome constitué d'une flotte de mini-drones et d'une ou plusieurs station(s) sol. Ce réseau peut être considéré comme une sous-catégorie d'un réseau ad hoc mobile (MANET) avec des caractéristiques spécifiques (vitesse importante des nœuds, modèle de mobilité spécifique, etc.) qui peuvent engendrer des baisses de performance du protocole de routage utilisé. Par ailleurs, la nature partagée du support de transmission et l'absence d'une infrastructure fixe pour vérifier l'authenticité des nœuds et des messages posent un problème de sécurité des communications. Compte tenu du caractère critique des données de charge utile échangées (en effet, un attaquant peut capturer un drone et l'utiliser à des fins malveillantes), il est important que les messages échangés soient authentifiés et qu'ils n'ont pas été modifiés ou retardés par un attaquant. L'authentification des messages est donc un des objectifs à atteindre pour garantir la sécurité du système Unmanned Aerial System (UAS) final. Diverses solutions de sécurité ont été conçues pour les réseaux sans fil, puis ont ensuite été adaptées aux réseaux MANET. Ces solutions peuvent s'étendre à des applications pour les réseaux UAANET, c'est pourquoi nous proposons dans cette thèse une architecture de communication fiable et sécurisée pour les flottes des drones. Dans ce travail, nous avons étudié en premier lieu l'application d'un réseau ad hoc mobile pour les flottes de drones. Nous examinons en particulier le comportement des protocoles de routage ad hoc existants dans un environnement UAANET. Ces solutions sont ainsi évaluées pour permettre d'identifier le protocole adéquat pour l'échange des données. Cela nous amène dans un deuxième temps, à proposer un protocole de routage intitulé Secure UAV Ad hoc routing Protocol (SUAP) qui garantit l'authentification des messages et détecte l'attaque wormhole. Cette attaque peut être définie comme un scénario dans lequel un attaquant enregistre les paquets en un point, et les rejoue à un autre point distant. L'attaque wormhole est particulièrement dangereuse lorsqu'un protocole de routage réactif (qui utilise le nombre de sauts comme métrique d'une route) est utilisé. Pour contrer cette attaque, le protocole SUAP permet d'une part d'assurer des services de livraison de donnés (une vidéo de télésurveillance) entre un drone distant et une station sol. D'autre part, le protocole SUAP possède également des partitions de sécurisation qui se basent sur une signature et une fonction de hachage pour assurer l'authentification et l'intégrité des messages. En ce qui concerne l'attaque wormhole, une technique qui consiste à corréler le nombre de sauts et la distance relative entre deux nœuds voisins est utilisée. Ce mécanisme permet de déduire la présence ou non d'un tunnel wormhole dans le réseau. En outre, cette architecture de communication est conçue avec une méthodologie de prototypage rapide avec l'utilisation d'une méthode orientée modèle pour tenir compte du besoin de validation du système UAS final. / Advances in miniaturization of embedded systems have helped to produce small Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with highly effective capacity. In order to improve their capability in civilian complex missions (for instance, to bypass an obstruction), it is now possible to deploy UAV swarms, in which cooperative UAVs share different tasks. This type of operations needs a high level of coordination between UAVs and Ground Control Station (GCS) through a frequent exchange of information. The communication capabilities are therefore an important objective to achieve for effective UAV swarm operations. Several communication architectures can be used to allow communication between UAVs and GCS. Ad hoc network is one of them and is an effective and promising solution for multi-UAV systems. Such a network is called UAANET (UAV Ad hoc Network) and is an autonomous system made of a UAV swarm and one or several GCS (Ground Control Station). This network can also be considered as a sub category of the well-known MANET (Mobile Ad hoc network). However, it has some specific features (such as node velocity, specific mobility model) that can impact performance of routing protocols. Furthermore, the nature of the wireless medium, along with the lack of fixed infrastructure, which is necessary to verify node and message authentication, create security breaches. Specifically, given the critical characteristic of the real-time data traffic, message authentication proves to be an important step to guarantee the security of the final UAS (composed of UAV swarm). Security of routing protocols has been widely investigated in wired networks and MANETs, but as far as we are aware, there is no previous research dealing with the security features of UAANET routing protocols. Those existing solutions can be adapted to meet UAANET requirements. With that in mind, in this thesis, we propose a secure and reliable communication architecture for a UAV swarm. In this work, the creation of UAANET has first been concieved. In order to do this, we studied the impact of existing MANET routing protocols into UAANET to assess their performance and to select the best performer as the core of our proposed secure routing protocol. Accordingly, we evaluated those existing routing protocols based on a realistic mobility model and realistic UAANET environment. Based on this first study, we created a secure routing protocol for UAANET called SUAP (Secure UAV Ad hoc routing Protocol). On the one hand, SUAP ensures routing services by finding routing paths between nodes to exchange real time traffic (remote monitoring video traffic). On the other hand, SUAP ensures message authentication and provides detection to avoid wormhole attack. The SUAP routing protocol is a reactive routing protocol using public key cryptography and hash chains. In order to detect wormhole attack, a geographical leash-based algorithm is used to estimate the correlation between the packet traveled distance and the hop count value. We also contribute to the certification of the secure communication system software through a Model-Driven Development (MDD) approach. This certification is needed to validate the operation of the UAV swarm, especially in cases where it is used to exchange control and command traffic. We used Simulink and Stateflow tools and formal verification tools of Matlab Software to design SUAP routing protocol. The evaluation of the effectiveness of SUAP has been executed both through emulation and real experiment studies. Our results show that SUAP ensures authentication and integrity security services and protects against a wormhole attack. It also provides an acceptable quality of service for real-time data exchanges.

Dans ce mémoire, nous étudions un problème de tournées de véhicules dans lequel une flotte privée de véhicules n’a pas la capacité suffisante pour desservir les demandes des clients. Dans un tel cas, on fait appel à un transporteur externe. Ce dernier n’a aucune contrainte de capacité, mais un coût est encouru lorsqu’un client lui est affecté. Il n’est pas nécessaire de mettre tous les véhicules de la flotte privée en service si cette approche se révèle plus économique. L’objectif consiste à minimiser le coût fixe des véhicules, puis le coût variable de transport et le coût chargé par le transporteur externe. Notre travail consiste à appliquer la métaheuristique de recherche adaptative à grand voisinage sur ce problème. Nous comparons nos résultats avec ceux obtenus précédemment avec différentes techniques connues sur les instances de Christofides et celles de Golden. / In this master thesis, we study a vehicle routing problem in which a private fleet does not have sufficient capacity to serve all customers. Therefore, an external common carrier is required. The external common carrier has no constraint of capacity, but there is a cost when a customer it assigned to it. It is not necessary for all the vehicles of the private fleet to be used. The objective is to minimize the sum of the fixed cost of the private fleet, the variable routing cost and the external carrier cost. Our work applies the adaptative large neighborhood search metaheuristic on this problem. We compare our results with those obtained previously with different well-known techniques on the benchmark instances of Christofides and Golden.

Au cours des dernières années, les problèmes multi-agents ont été étudiés de manière intensive par la communauté de la théorie du contrôle. L'un des sujets les plus populaires est le problème de consensus où un groupe d'agents parvient à un accord sur la valeur d'un certain paramètre ou d’une variable. Dans ce travail, nous nous concentrons sur le consensus des réseaux d'agents avec une dynamique non linéaire de poursuite de référence. Nous utilisons des interactions sporadiques modélisées par la détection relative, pour traiter le consensus décentralisé des références. La référence est donc utilisée pour alimenter la dynamique de poursuite de chaque agent. L'analyse de stabilité du système globale a nécessitée l'utilisation d'outils théoriques propre de la théorie des systèmes hybrides, en raison de la double nature de l'approche en deux étapes. L'analyse est effectuée en tenant compte de différents scénarios de topologie et interactions. Pour chaque cas, une condition suffisante de stabilité est fournie, en termes de temps minimum autorisé entre deux mises à jour de référence consécutives. Le cadre proposé est appliqué aux missions de rendez-vous et de réalisation de formation pour les robots mobiles non-holonomes. Le même problème est abordé dans le contexte d'une application réelle sur le terrain, à savoir un système de gestion de flotte pour un groupe de véhicules robotisés déployés dans un environnement industriel à des fins de surveillance et de collecte de données. Le développement d'une telle application a été motivé par le fait que cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet FFLOR, développé par le département de recherche technologique du CEA tech. / Over the last years, multi-agents problems have been extensively studied from the control theory community. One of the most popular multi-agents control topics is the consensus problem where a group of agents reaches an agreement over the value of a certain parameter or variable. In this work we focus our attention on the consensus problem of networks of non-linear reference tracking agents. In first place, we use sporadic interactions modeled by relative sensing to deal with the decentralized consensus of the references. The reference is therefore feeded the tracking dynamics of each agent. Differently from existent works, the stability analysis of the overall system required the usage of hybrid systems theory tools, due to dual nature of the two stages approach. The analysis is carried out considering different scenarios of network topology and interactions. For each case a stability sufficient condition in terms of the minimum allowed time between two consecutive reference updates is provided. The proposed framework is applied to the rendez-vous and formation realisation tasks for non-holonomic mobile robots, which appear among the richest research topics in recent years. The same problem is addressed in the context of a real field application, namely a fleet management system for a group of robotic vehicles deployable in an industrial environment for monitoring and data collection purpose. The development of such application was motivated by the fact that this thesis is part of the Future of Factory Lorraine (FFLOR) project, developed by the technological research department of the Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA tech).

La maintenance de flottes de systèmes mobiles dans le monde du transport et de la logistique revêt de nos jours une importance croissante de par l’augmentation des attentes des exploitants et opérateurs en termes de sécurité, de fiabilité, de suivi, de diagnostic et de maintenance de ces systèmes. Dans ce contexte, Les mainteneurs des flottes doivent souvent faire face à d'énormes quantités de données brutes, informations et événements de surveillance liés aux contexte de leurs systèmes. De plus, ces événements, données et informations manquent souvent de précision et sont souvent contradictoires ou obsolètes. Enfin, le degré d'urgence des décisions de maintenance est rarement pris en compte. Ce travail est consacré à la proposition et à la mise au point d’une architecture de surveillance pour l’aide à la maintenance d’une flotte de systèmes mobiles. Cette architecture, appelée EMH², est destinée à faciliter le diagnostic et le suivi de ce type de flotte. Elle est construite sur les principes holoniques, des plus bas (capteurs) aux plus hauts niveaux (ensemble d’une flotte de systèmes mobiles). Elle se base également sur une standardisation des événements traités afin de traiter les données de manière générique. Cette architecture, indépendante des types de systèmes surveillés et de leur niveau hiérarchique, peut devenir l'épine dorsale d’une stratégie efficace de maintenance proactive d’une flotte. Une méthodologie de déploiement est ainsi proposée. Une étude en simulation et une application sur une flotte de 10 trains actuellement en service est présentée. / The maintenance of mobile systems fleets in the world of transport and logistics is of increasing importance today due to the increasing expectations of operators in terms of safety, reliability, monitoring, diagnosis and maintenance of these systems. In this context, fleet maintainers often have to deal with huge amounts of raw data, information and monitoring events related to the context of their systems. Moreover, these events, data and information are often lack precision and often contradictory or obsolete. Finally, the urgency of maintenance decisions is rarely taken into account. This work is devoted to the proposal and the development of a monitoring architecture to help maintain a fleet of mobile systems. This architecture, called EMH², is intended to facilitate the diagnosis and monitoring of this type of fleet. It is built on holonic principles, from the lowest (sensors) to the highest levels (a whole fleet of mobile systems). It is also based on a standardization of processed events in order to process the data generically. This architecture, independent of the types of systems monitored and their hierarchical level, can become the backbone of an effective strategy for proactive fleet maintenance. A deployment methodology is thus proposed. A simulation study and an application on a fleet of 10 trains currently in service is presented.

Au cours de la première décennie du XXIe siècle l'Arctique a fait l’objet d’une attention croissante de la part des chercheurs, des politiciens et des multinationales. En effet, les problématiques liées au changement climatique, et le regain d’interêt politique et économique des Etats côtiers et non côtiers, a peu à peu fait apparaître cette région comme un endroit stratégique sur l'échiquier des grandes puissances. Depuis 2001, la Fédération de Russie a entrepris plusieurs actions afin de garantir ses intérêts nationaux dans ce qu'elle considère comme l’Arctique russe, un espace qui comprend environ 22600 kilomètres de littoral avec l'océan Arctique. Or, le changement climatique, les développements socio-économiques et les impératifs stratégiques ont conditionné cette politique pour l’Arctique. Les oblasts de Mourmansk et d’Arkhangelsk jouent, de nos jours, un rôle majeur dans la mise en œuvre de la stratégie russe pour la région arctique. Ce travail évaluera donc les défis majeurs de stratégie et de sécurité nationale russes en Arctique occidental au regard des récents changements du modèle politique et économique russe, du rôle émergent d'acteurs privés et étrangers ainsi que des spécificités des régions arctiques et sous-arctiques. Dans une première partie de notre travail nous essayerons de souligner l’importance stratégique et économique de l’Arctique Occidental pour la Fédération de Russie. Une approche historique nous permettra de mieux comprendre le rôle actuel des oblasts de Mourmansk et d’Arkhangelsk tandis que l’analyse de l’évolution démographique, industrielle et commerciale de ces régions nous fera apprécier son potentiel socio-économique. Enfin, une analyse de l’adaptation des industries énergétiques et du complexe militaro-industriel aux marchés internationaux sera entreprise ainsi qu’une évaluation des risques liés au changement climatique et à la pollution industrielle. Dans une deuxième partie, nous analyserons les principales problématiques rencontrés par les acteurs étatiques et privés en Arctique occidental. Afin d’identifier les principaux enjeux, nous avons transposé des théories des relations internationales à la géopolitique (Waltz, Keohane, Putnam). Tout particulièrement, nous utiliserons pour cette analyse les modèles conceptuels de Graham Allison et son approche sur les intérêts nationaux. / During the first decade of the XXIth century, the Arctic has received growing attention from scholars, policymakers and multinational corporations. Climate change as well as renewed political and economical interests from coastal and non-coastal States had repositioned this region as a prospective theater in the Great powers chessboard. Since 2001, the Russian Federation has taken several international and domestic actions to guarantee its national interest in what it considers as the Russian Arctic, a space that comprises about 22 600 kilometers of national coastline with the Arctic Ocean. But climate change, historical socio-economic developments and strategic imperatives have conditioned this engagement.The Murmansk and Arkhangelsk oblasts plays nowadays a leading role in the implementation of a cross-domain Russian strategy for the Arctic region. This dissertation will then assess the central challenges of Russian National Security and Strategy in the Occidental Arctic taking in consideration recent changes in the Russian Federation political and economical model, the emerging role of private and foreign actors and the specificity of Arctic and sub-Arctic regions.The first part of this dissertation will try to underline the past/current strategic and economical relevance of the Occidental Arctic for the Russian Federation. A historical approach will allow us to better understand the current role of Murmansk and Arkhangelsk oblasts while we will appreciate its socio-economic potential thanks to the analysis of demographic, industrial and commercial developments of these regions. Finally, a study on defense and energy industries adaptation to international markets will be conducted as well as a regional risk-assessment concerning climate change and industrial pollution.In a second part, our main objective is to demonstrate the strategic and economical importance of the Murmansk and Arkhangelsk oblasts for the Russian Arctic policy. This will lead us to analyse core issues in the Occidental Arctic for state and industry actors. The methodology applied to identify the main trends in these issues is a combination of the French school of geopolitics with relevant theories of international relations (Waltz, Keohane, Putnam). Graham Allison’s conceptual models and his approach on national interests will be applied in the analysis.