Titre de l'écran-titre (visionné le 24 juillet 2023) / Les flux de données de capteurs constituent de nos jours un mécanisme fondamental fournissant aux systèmes d'information et d'aide à la décision, des données d'observation sur les phénomènes d'intérêt. Ces flux de données de capteurs sont largement utilisés pour de nombreuses applications telles que la surveillance industrielle, les interventions en cas de catastrophe, les accidents radioactifs, le contrôle de la qualité de l'air, et bien d'autres applications. La modélisation et le calcul quasi instantané d'informations spatiotemporelles sur de tels phénomènes environnementaux dynamiques sont nécessaires pour une meilleure compréhension desdits phénomènes et une prise de décision plus efficace. La plupart des approches de modélisation des phénomènes continus sont développées en supposant que les limites de tels phénomènes sont nettes, alors que de nombreux phénomènes environnementaux tels que la poussière, le bruit ou la pollution par les gaz ou les incendies de forêt ont des limites spatiales vagues. Par conséquent, il n'est généralement pas possible de détecter directement les limites des phénomènes surveillés à partir des mesures des capteurs, car ces derniers sont soit dispersés de manière aléatoire sur la zone surveillée, soit ils suivent un modèle particulier dont la localisation coïncide rarement avec les limites des phénomènes surveillés. La faible portée spatiale des observations faites par les capteurs amplifie le niveau d'imprécision spatiale qui caractérise les données des réseaux de capteurs. Par conséquent, une collaboration exempte de toute ambigüité sémantique est requise entre capteurs connectés au sein du réseau en vue d'inférer les connaissances décrivant la géométrie des phénomènes, et éventuellement les agréger pour une meilleure prise de décision. Dans un contexte de raisonnement spatial décentralisé au sein des réseaux de capteurs, assurer une collaboration transparente entre les capteurs qui peuvent être hétérogènes, permettrait de résoudre ce double niveau d'imprécision spatiale que présentent les données de réseaux de capteurs, afin de produire une meilleure représentation des phénomènes et observer leur dynamique et les interactions spatiales qui y ont lieu. L'objectif global de cette thèse est de proposer une approche de raisonnement spatial décentralisée à base de sémantique et de logique floue pour la représentation et les calculs spatiaux relatifs aux phénomènes de forme vague à partir des données du réseau de capteurs. Pour atteindre cet objectif, les objectifs spécifiques suivants ont été considérés : 1) assurer l'extraction d'objets spatiaux de type fuzzy-crisp composés d'un noyau et d'une partie conjecture, représentant les phénomènes dont les limites ne sont pas franches, à partir des données de réseaux de capteurs, 2) assurer le raisonnement et la modélisation de la dynamique d'un phénomène de forme spatiale floue décrit par des flux de données de réseau de capteurs à travers la détection décentralisée des frontières spatiotemporelles et de leur évolution ; et enfin 3) développer une approche de calcul, de modélisation et d'analyse des relations topologiques qui ont lieu entre phénomènes dont la géométrie est vague à partir d'observations au sein de réseaux de capteurs. Le développement d'une base de connaissances qui intègre la sémantique des données de capteurs, des domaines d'application, et d'objets spatiaux de type fuzzy-crisp représentant les phénomènes dont les limites sont vagues, constitue l'étape fondamentale garantissant un raisonnement sémantique décentralisé au sein des réseaux de capteurs. En plus des règles sémantiques découlant de cette base de connaissance, constituant le moteur de raisonnement des capteurs, l'usage des règles à base logique floue trivalente permet aux capteurs de statuer sur leur position relative aux frontières des phénomènes suivis et de construire leur géométrie. L'intégration de règles de raisonnement établies suivant le formalisme Event-Calculus permet aux capteurs d'inférer sur les changements affectant les limites du phénomène observé et de statuer sur sa dynamique spatiotemporelle. La détection simultanée de deux phénomènes par un capteur, peut être utilisée comme indice d'intersection de l'étendue des deux phénomènes dans la position dudit capteur. L'usage d'un modèle d'intersection intégrant les cinq parties topologiques comprenant le noyau, la conjecture et la zone extérieure et leurs frontières des objets spatiaux de type fuzzy-crisp a permis de caractériser efficacement les 44 cas de relations topologiques qui peuvent avoir lieu entre deux objets spatiaux simples de type fuzzy-crisp. Le développement de prototypes implémentés à l'aide du logiciel Netlogo pour différentes études de cas présentant des scénarios d'applications, ont été utilisées pour illustrer et évaluer la validité des approches proposées. Cette évaluation a présenté des résultats satisfaisants tant pour la modélisation de phénomènes de forme vague (représentation spatiale de pollution sonore lors du passage d'un train en zone urbaine), que pour l'analyse de la dynamique des phénomènes (évolution d'un feu de brousse) et des relations spatiales floues (relations topologiques entre un feu de brousse et une aire forestière) décrites par les données collectées par des réseaux de capteurs. / Sensor data streams are nowadays a fundamental mechanism providing information and decision systems with observational data on the phenomena of interest. These sensor data streams are widely used in many applications such as intrusion monitoring, manufacturing, disaster response, radioactive accidents, air quality monitoring, among others. Real time or near-instantaneous modelling and computation of spatiotemporal information on such dynamic environmental phenomena is necessary for a better understanding of the phenomena and more efficient decision-making. Most modelling approaches for continuous phenomena are developed assuming that the boundaries of such phenomena are sharp, whereas many environmental phenomena such as dust, noise or gas pollution or forest fires have vague spatial boundaries. Also, it is usually not possible to directly detect the boundaries of the monitored phenomena from the sensor measurements, because the sensors are either randomly scattered over the monitored area or follow a particular pattern whose location rarely coincides with the limits of the monitored phenomena. The small spatial range of observations made by sensors amplifies the level of spatial inaccuracy that characterizes data from sensor networks. Therefore, a collaboration free from any semantic ambiguity is required between sensors connected within the network in order to infer knowledge describing the geometry of phenomena, and possibly aggregate them for better decision-making. In a context of decentralized spatial reasoning within sensor networks, ensuring transparent collaboration between sensors, which may be heterogeneous, would make it possible to resolve this double level of spatial imprecision presented by sensor network data, in order to produce a better representation of observed phenomena, their dynamics and the spatial interactions that take place there. The overall objective of this thesis is to propose a decentralized spatial reasoning approach based on semantics and fuzzy logic for spatial modelling and calculations related to waveform phenomena from sensor network data. To achieve this objective, the following specific objectives were considered: 1) ensure the extraction of space objects of fuzzy-crisp type composed of a nucleus and a conjecture part, representing the phenomena whose limits are not clear , from sensor network data, 2) modeling and reasoning about the dynamics of vague shape continuous phenomena described by sensor network data streams in a decentralized spatial Computing approach, from detected spatiotemporal boundaries and their evolution, 3) develop an approach for computing, modelling and analyzing the topological relationships that take place between phenomena whose geometry is vague from observations within sensor networks. The development of a knowledge base which includes the semantics of sensor data, application domains, and that of fuzzy-crisp spatial model representing phenomena with vague boundaries, is a fundamental step to ensure seamless collaboration among sensors for decentralized semantic reasoning in sensor networks. In addition to the semantic rules derived from built knowledge base, sensors reasoning engine uses trivalent fuzzy logic rules to infer on their relative position as border nodes to monitored phenomena and to build their geometry. The integration of reasoning rules established on the basis of the Event-Calculus formalism enables sensors to infer on the changes affecting the boundaries of the observed phenomenon and also on its spatiotemporal dynamics. The simultaneous detection of two phenomena by a sensor can be used as an index of the intersection of the extent of the two phenomena at the position of the sensor. The use of an intersection model integrating the five topological parts including the core, the conjecture and the outer zone and their boundaries of the fuzzy-crisp spatial objects allowed to efficiently characterize the 44 cases of topological relations that can take place between two simple fussy-crisp spatial objects. The development of prototypes implemented with the Netlogo software which is a multi-agent system was used for different case studies of application scenario, in order to illustrate and evaluate the validity of the proposed solutions. This evaluation presented satisfactory results both for the modelling of vague phenomena (spatial representation of noise pollution around the railway in an urban area), and for the analysis of the dynamics of the phenomena from sensor network data (evolution of a bushfire) and of the fuzzy topological relations (topological relations between a bushfire and a forest area) described by the data collected sensor networks.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/121723 |
| Date | 13 December 2023 |
| Creators | Ntankouo Njila, Roger Cesarié |
| Contributors | Mostafavi, Mir Abolfazl, Brodeur, Jean |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xviii, 192 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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