Carlos Canudas-de-Wit, ERC Advanced Grant 2015

Les réalisations technologiques ont généralement été développées en s’appuyant sur des résultats théoriques fondamentales, mais de nos jours la technologie semble évoluer plus vite que notre capacité à développer de nouveaux concepts et théories. Les systèmes à grande échelle, comme ceux du trafic routier dans les agglomérations urbaines, sont devenus beaucoup plus complexes que les outils d’analyse disponibles pour les gérer. Ces systèmes ont beaucoup de composants, ils communiquent entre eux, ont des mécanismes de prise de décision autonome, partagent une énorme quantité d’informations, et forment des réseaux interconnectés. Les outils de conception et d’analyse de l’automatique (systèmes de commande) actuels restent efficaces pour des systèmes à dimension et complexité limités. En effet, l’automatique s’est développée avec des méthodes sophistiquées, mais pour des systèmes des dimensions relativement modestes : une voiture, un avion, un robot, voire un ensemble de robots… Pour les grands systèmes, telle que la gestion des feux dans une agglomération, le contrôle est souvent réalisé de façon très sous-optimale, par exemple carrefour par carrefour, et dans le meilleur des cas en synchronisant quelques feux dans les avenues principales. 

Dans son ERC Scale-FreeBack, Carlos Canudas-de-Wit de l’équipe-projet commune Inria NeCS du laboratoire Grenoble Image, Parole, Signal, Automatique (GIPSA-lab - CNRS/Grenoble INP/Université Grenoble Alpes) propose un nouveau paradigme pour aborder le problème de commande des systèmes complexes à grande échelle. Il propose d’abord de revoir le processus de modélisation, en s’appuyant sur la théorie des réseaux sans échelle (scale-free networks). Il s’agit de systèmes caractérisés par des graphes (représentation informatique) possédant une quantité réduite de points (appelés nœuds) avec une forte connectivité, c’est-à-dire beaucoup de liens entre eux. Il s’agit donc de modéliser le système à grande échelle par un autre modèle à dimension réduite (ayant les caractéristiques des systèmes type scale-free) où les nœuds de cette nouvelle abstraction mathématiques décrivent les variables « agrégées » du système à commander, plutôt que chaque variable de façon individuel. 

À titre d’exemple, prenons le trafic urbain, où on peut comprendre aisément qu’il est plus réaliste de s’intéresser à la commande et la distribution des véhicules dans un secteur de la ville (vision macroscopique) qu’à leur position (vision microscopique), ou même leur densité dans chaque rue de la ville. Une fois l’abstraction du modèle sans échelle réalisée, il va donc être possible de réguler le trafic avec une vision macroscopique où l’on s’intéresse non pas à un carrefour, mais à un grand secteur dont on réunit les éléments pour en faire une moyenne. L’optimisation du réseau complet du trafic ne se fera ainsi plus feu par feu (qui reste géré par un contrôleur local « classique »), mais par un contrôle périphérique, en maîtrisant les flux entrant et sortant de chaque secteur. Réduire le nombre de variables à réguler demande de proposer de nouvelles métriques pour réaliser cette agrégation d’informations, afin que la version simplifiée du système soit représentative. Les secteurs sont par exemple dynamiques et changent dans le temps en fonction de l’évolution du trafic. La taille des secteurs de contrôle sera évidemment un point clé à ajuster pour permettre une gestion optimale. 

Grâce à ses approches de modélisation dynamique sans échelle, Carlos Canudas-de-Wit pourra mettre au point des algorithmes de contrôle spécialement adaptés, qui hériteront de la propriété sans échelle des modèles. D’où le nom de l’ERC Scale-FreeBack, qui exprime la notion de sans échelle et rappelle celle du feedback (en français rétroaction) propre à l’automatique. Ses nouveaux algorithmes de contrôle sans échelle pourront ainsi être facilement adaptables aux différents systèmes, qu’ils soient petits, moyens ou très grands. 

Au-delà de vouloir définir une théorie complète de la commande des grands systèmes par des contrôleurs sans échelle, Carlos Canudas-de-Wit a également prévu d’étudier les problèmes de reconstruction de variables non mesurées sans échelle, qui sont complémentaires à ceux du contrôle. L’une des principales innovations introduites ici est que la nouvelle théorie assurera l’évolutivité de l’ensemble de la chaîne (modèle, observation, contrôle) et non pas seulement celle d’un seul composant. L’agrégation d’informations peut en effet être difficile du fait de la masse et de la multiplicité des sources de données provenant de technologies différentes. Leur donner du sens est un défi, afin de construire les informations pertinentes pour permettre une prédiction de l’évolution. Enfin, tirer parti des nouvelles possibilités offertes par les dernières technologies de détection à grande échelle demande de prendre en compte la sécurité cyber-physique spécifique aux grands réseaux interconnectés. 

En plus d’élaborer des principes théoriques fondamentaux, Scale-FreeBack proposera des dispositifs de gestion du trafic routier à utiliser en preuve de concept (proof-of-concept). Des essais sur le terrain et des simulations réalistes seront effectués pour tester les théories développées, en utilisant l’équipement disponible au Grenoble Traffic Lab (GTL) et un simulateur de trafic microscopique (AIMSUN). L’équipement disponible au GTL sera complété par d’autres capteurs, et le simulateur sera enrichi de nouvelles fonctionnalités afin de pouvoir faire face à la complexité du réseau urbain de Grenoble. L’équipe Scale-FreeBack espère ainsi arriver à des solutions de contrôle innovantes pour l’amélioration des systèmes de gestion du trafic.