Ce mémoire traite de la notion de champ de potentiel et de son application à l'allocation dynamique des tâches et au routage de produits dans des systèmes de production flexibles (FMS). Dans cette approche, les produits ont une liste de services à obtenir au sein du système de production. Les ressources émettent des champs de potentiel correspondant aux différents services offerts. Les produits détectent les champs émis par les ressources et sélectionnent le champ qui répond mieux à leur besoin. Les interactions se font donc entre produits et ressources et non uniquement entre ressources comme c'est généralement le cas dans les approches de pilotage plus classiques. Après un état de l'art sur les différentes approches d'interaction entre les entités intervenant dans le pilotage des systèmes de production, nous choisissons et détaillons l'approche à base de champs de potentiel. Un modèle formalisant les champs de potentiel est proposé pour le contrôle hétérarchique résolvant simultanément les problématiques d'allocation dynamique des ressources et de routage dynamique des produits en temps réel. L'approche repose sur l'utilisation d'entités autonomes décisionnelles capables de capter des informations dans leur environnement et de réagir dans celui-ci. Un modèle de produit « actif » embarquant des capacités décisionnelles, basé sur le concept d'augmentation est proposé. Grâce à la plateforme de simulation multi-agents « NetLogo », le modèle est validé tenant compte de contraintes caractéristiques des systèmes de production (temps de transport non négligeables, capacité des files d'attente des ressources et certaines situations de panne), et en s'inspirant d'un benchmark existant. Ce dernier est utilisé pour effectuer une comparaison entre notre modèle et une étude de référence basée sur l'utilisation du protocole contrat-net pour résoudre les problèmes d'allocation des produits entre ressources. Pour valider ce modèle, une mise en oeuvre réelle est présentée sur la cellule flexible AIP-PRIMECA de Valenciennes dans une partie « implémentation ». Dans celle-ci, après une présentation des équipements utilisés, une comparaison des deux approches (champ de potentiel / contract-net) est réalisée en utilisant le même protocole expérimental.

Cette thèse présente une contribution sur les problèmes de contrôle de réseaux d'irrigations en tenant compte des contraintes de communication grâce à une approche multicouches d’intelligence distribuée. Les analyses détaillées de chaque couche avec les résultats analytiques et les simulations seront décrites dans les différents chapitres. Ils mettent l'accent sur l'intérêt de l'approche multicouches, plus précisément sur son efficacité et sa fiabilité pour la supervision, l'optimisation multi-objectifs et le contrôle coopératif distribué sur des systèmes complexes de transport d'eau.La première couche analysé est le réseau hydraulique composé de canaux d’écoulements à surface libre, de sous-réseaux maillés de tuyaux sous pression et des structures hydrauliques (pompes vannes, ..). En intégrant les équations de Saint-Venant pour décrire l’écoulement physique des fluides en surface libre et la méthode Lattice Boltzmann pour la simulation du fluide, nous obtenons un modèle non linéaire discret pour les canaux à surface libre. Les structures hydrauliques sont généralement traitées comme des limites internes des biefs (tronçons) et modélisées par des relations entre les variables de flux et de pression.Permettant l'échange d'informations entre les éléments du système de contrôle, le réseau de communication sera considéré comme la deuxième couche. La résolution des problèmes d’hétérogénéités des systèmes et des communications (par exemple les retards de diffusion dans le réseau, la perte de paquets, la consommation d'énergie) sera étudié en introduisant une architecture de réseau hybride avec un routage dynamique basé sur les exigences de Qualité de Service (QoS) des applications de contrôle. Pour le routage dynamique dans le réseau, une composition pondérée de certaines métriques standards est proposée afin que le protocole de routage utilisant cette métrique composite converge sans boucle avec une « route » optimum. Grâce à différents scénarios de simulation, plusieurs critères de performance du réseau ont été évalués. La comparaison des résultats de simulation permet de valider l'intérêt de cette approche de composition pour le routage dynamique.Une troisième couche propose un système de contrôle réactif optimal développé pour la régulation du réseau d'irrigation dans un modèle étendue à grande échelle : Distributed Cooperative Model Predictive Control (DCMPC). Cette partie aborde la mise en œuvre de différentes stratégies de contrôle (centralisées, décentralisées et distribuées) et intègre la communication coopérative entre les contrôleurs MPC locaux afin d’améliorer les performances global es du système. La gestion de la divergence dans l'échange d'informations entre les contrôleurs est considérée comme un problème de consensus et résolue en utilisant un protocole de consensus asynchrone. Cette approche du contrôle distribué basée sur le paradigme des systèmes multi-agents, fournit une solution garantissant que tous les contrôleurs aient une vue cohérente de certaines valeurs des données nécessaires pour le calcul de décision. Un cas d’application sur un canal d'irrigation est étudié dans les simulations. La comparaison des résultats de simulations valide les avantages de l'approche du contrôle distribué coopératif par rapport aux autres stratégies de contrôle. / This thesis presents control problems of irrigation network with communication constraints and a multi-layer approach to solve these problems in a distributed manner. Detailed discussions of each layer with analytical and simulation results are described throughout several chapters. They emphasize the potential interest of the multi-layer approach, more precisely its efficiency and reliability for supervision, multi-objective optimization and distributed cooperative control of complex water transport systems. Conventionally, the first layer to be considered is the hydraulic network composed of free-surface channels, hydraulic structures and mesh subnetwork of pressurized pipes. By coupling the Saint-Venant equations for describing the physics of free-surface fluid and the Lattice Boltzmann method for the fluid simulation, a discrete-time nonlinear model is obtained for channel reaches. The hydraulic structures are usually treated as internal boundaries of reaches and modeled by algebraic relationships between the flow and pressure variables. To enable the exchange of information among the control system’s components, a communication network is considered in the second layer. Solving challenging problems of heterogeneous devices and communication issues (e.g., network delay, packet loss, energy consumption) is investigated in this thesis by introducing a hybrid network architecture and a dynamic routing design based on Quality of Service (QoS) requirements of control applications. For network routing, a weighted composition of some standard metrics is proposed so that the routing protocol using the composite metric achieves convergence, loop-freeness and path-optimality properties. Through extensive simulation scenarios, different network performance criteria are evaluated. The comparison of simulation results can validate the interest of this composition approach for dynamic routing. Finally, the third layer introduces an optimal reactive control system developed for the regulatory control of large-scale irrigation network under a Distributed Cooperative Model Predictive Control (DCMPC) framework. This part discusses the implementation of different control strategies (e.g., centralized, decentralized, and distributed strategies) and how the cooperative communication among local MPC controllers can be included to improve the performance of the overall system. Managing divergent (or outdated) information exchange among controllers is considered in this thesis as a consensus problem and solved by an asynchronous consensus protocol. This approach based on the multi-agent system paradigm to distributed control requires each controller to agree with its neighbors on some data values needed during action computation. For simulations, a particular benchmark of an irrigation channel is considered. The comparison of simulation results validate the benefits of the distributed cooperative control approach over other control strategies.

La technologie des réseaux de capteurs sans fil démontre qu'elle peut être très utile dans de nombreuses applications. Ainsi chaque jour voit émerger de nouvelles réalisations dans la surveillance de notre environnement comme la détection des feux de forêt, l'approvisionnement en eau. Les champs d'applications couvrent aussi des domaines émergents et sensibles pour la population avec les soins aux personnes âgées ou les patients récemment opérés dans le cadre. L'indépendance des architectures RCSFs par rapport aux infrastructures existantes permet aux d'être déployées dans presque tous les sites afin de fournir des informations temporelles et spatiales. Dans les déploiements opérationnels le bon fonctionnement de l'architecture des réseaux de capteurs sans fil ne peut être garanti que si certains défis sont surmontés. La minisation de l'énergie consommée en fait partie. La limitation de la durée de vie des nœuds de capteurs est fortement couplée à l'autonomie de la batterie et donc à l'optimisation énergétique des nœuds du réseau. Nous présenterons plusieurs propositions à ces problèmes dans le cadre de cette thèse. En résumé, les contributions qui ont été présentées dans cette thèse, abordent la durée de vie globale du réseau, l'exploitation des messages de données redondantes et corrélées et enfin le fonctionnement nœud lui-même. Les travaux ont conduit à la réalisation d'algorithmes de routage hiérarchiques et de filtrage permettant la suppression des redondances. Ils s'appuient sur les corrélations spatio-temporelles des données mesurées. Enfin, une implémentation de ce réseau de capteurs multi-sauts intégrant ces nouvelles fonctionnalités est proposée. / Wireless sensor networks (WSNs) technology have been demonstrated to be a usefulmeasurement system for numerous bath indoor and outdoor applications. There is avast amount of applications that are operating with WSN technology, such asenvironmental monitoring, for forest fire detection, weather forecasting, water supplies, etc. The independence nature of WSNs from the existing infrastructure. Virtually, the WSNs can be deployed in any sort of location, and provide the sensor samples accordingly in bath time and space. On the contrast, the manual deployments can only be achievable at a high cost-effective nature and involve significant work. ln real-world applications, the operation of wireless sensor networks can only be maintained, if certain challenges are overcome. The lifetime limitation of the distributed sensor nodes is amongst these challenges, in order to achieve the energy optimization. The propositions to the solution of these challenges have been an objective of this thesis. ln summary, the contributions which have been presented in this thesis, address the system lifetime, exploitation of redundant and correlated data messages, and then the sensor node in terms of usability. The considerations have led to the simple data redundancy and correlated algorithms based on hierarchical based clustering, yet efficient to tolerate bath the spatio-temporal redundancies and their correlations. Furthermore, a multihop sensor network for the implementation of propositions with more features, bath the analytical proofs and at the software level, have been proposed.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s’inscrivent dans le cadre des Systèmes de TransportIntelligents (STI). Bien que les premières études sur ces systèmes ont commencé dans les années 60, leurdéveloppement reposant sur les techniques de l’information et de la communication, a atteint sa maturitédans le début des années 80. Les STI, sont composés de différents systèmes et intègrent différents concepts(systèmes embarqués, capteurs intelligents, autoroutes intelligentes, . . .) afin d’optimiser le rendementdes infrastructures routières et répondre aux problèmes quotidiens des congestions. Ce mémoire présentequatre contributions dans le cadre du trafic routier et aborde les problèmes de l’estimation et de lacommande afin d’éliminer les problèmes de congestions « récurrentes ». Le premier point traite unproblème crucial dans le domaine des STI qui est celui de l’estimation. En effet, la mise en oeuvre delois de commande pour réguler le trafic impose de disposer de l’ensemble des informations concernantl’évolution de l’état du trafic. Dans ce contexte, deux algorithmes d’estimation sont proposés. Le premierrepose sur l’emploi du modèle METANET et les techniques de modes de glissement d’ordre supérieur. Lesecond est basé sur les CTM (Cell Transmission Models). Plusieurs études comparatives avec les filtresde Kalman sont proposées. La seconde contribution concerne la régulation du trafic. L’accent est mis surle contrôle d’accès isolé en utilisant les algorithmes issus du mode de glissement d’ordre supérieur. Cettecommande est enrichie en introduisant une commande intégrée combinant le contrôle d’accès et le routagedynamique. L’ensemble des résultats, validé par simulation, est ensuite comparé aux stratégies classiquesnotamment le contrôle d’accès avec l’algorithme ALINEA. La troisième contribution traite des problèmesde coordination. En effet, l’objectif est d’appliquer le principe de la commande prédictive pour contrôlerplusieurs rampes d’accès simultanément. L’ensemble des contributions ont été validées en utilisant desdonnées réelles issues en grande partie de mesures effectuées sur des autoroutes françaises. Les résultatsobtenus ont montré un gain substantiel en termes de performances tels que la diminution du trajet, dutemps d’attente, de la consommation énergétique, ainsi que l’augmentation de la vitesse moyenne. Cesrésultats permettent d’envisager plusieurs perspectives nouvelles de développement des recherches dansce domaine susceptibles d’apporter des solutions intéressantes. / The works presented in this PhD dissertation fit into the framework of Intelligent TransportationSystems. Although the beginnings of these systems have started since the 60s, their development, basedon information and communication technologies, has reached maturity during the early 80s. The ITS usesthe intelligence of different systems (embedded systems, intelligents sensors, intelligents highways, etc.)in order to optimize road infrastructures performances and respond to the daily problems of congestions.The dissertation presents four contributions into the framework of road traffic flow and tackles theestimation and control problems in order to eliminate or at least reduce the “recurrent" congestionsphenomena. The first point treats the problem of traffic state estimation which is of most importance inthe field of ITS. Indeed, the implementation and performance of any control strategy is closely relatedto the ability to have all needed information about the traffic state describing the dynamic behavior ofthe studied system. Two estimation algorithms are then proposed. The first one uses the “metanet"model and high order sliding mode techniques. The second is based on the so-called Cell TransmissionModels. Several comparative studies with the Kalman filters, which are the most used in road traffic flowengineering, are established in order to demonstrate the effectiveness of the proposed approaches. Thethree other contributions concern the problem of traffic flow control. At first, the focus is on the isolatedramp metering using an algorithm based on the high order sliding mode control. The second contributiondeals with the dynamic traffic routing problem based on the high order sliding mode control. Such controlstrategy is enriched by introducing the concept of integration, in the third contribution. Indeed, integratedcontrol consists of a combination of several traffic control algorithms. In this thesis the proposed approachcombines an algorithm of on-ramp control with a dynamic traffic routing control. The obtained results arevalidated via numerical simulations. The validated results of the proposed isolated ramp metering controlare compared with the most used ramp metering strategy : ALINEA. Finally, the last contributiontreats the coordination problems. The objective is to coordinate several ramps which cooperate andchange information in order to optimize the highway traffic flow and reduce the total travel time in theapplied area. All these contributions were validated using real data mostly from French freeways. Theobtained results show substantial gains in term of performances such as travel time, energetic consumptiondecreasing, as well as the increasing in the mean speed. These results allow to consider several furtherworks in order to provide more interesting and efficient solutions in the ITS field.