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Équipe de recherche Optimisation et Systèmes Dynamiques (Toulouse)

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Works: 11 works in 16 publications in 2 languages and 16 library holdings
Roles: Other
Publication Timeline
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Most widely held works by Équipe de recherche Optimisation et Systèmes Dynamiques (Toulouse)
Distance entre distributions : application à l'imagerie médicale et à l'aéronautique by Sana Rebbah( Book )

2 editions published in 2019 in French and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

Dans le domaine médical, au cours des deux dernières décennies, un nombre croissant de méthodes d'analyse d'images quantitatives ont été développées dont l'analyse par régions d'intérêt, l'analyse voxel à voxel et l'analyse d'histogrammes. Cette dernière est largement utilisée dans la cadre de la recherche sur la sclérose en plaques afin de quantifier les changements pathologiques diffus particulièrement présents dans cette maladie. Un inconvénient de cette approche est que l'ensemble des informations incluses dans l'histogramme n'est pas exploité ; seules des mesures arbitraires sont choisies pour décrire l'histogramme ; incluant la moyenne, la médiane, les centiles... Ainsi dans un premier lieu, nous avons proposé d'intégrer dans un classifieur toute l'information incluse dans l'histogramme et non pas seulement quelques descripteurs locaux, dans le but d'améliorer les performances de classification des populations de sclérose en plaques (groupes dans un essai thérapeutique et in fine groupes de pronostics différents). Par la suite, étant donné que l'histogramme est une estimation trop simpliste d'une distribution de probabilité, nous présentons l'une des applications possibles de la géométrie de l'information sur les distributions de probabilité et démontrons l'intérêt de l'utilisation de la géométrie non-euclidienne dans le contexte de la classification des populations de la maladie d'Alzheimer. Nous avons notamment fait l'analogie avec le domaine de l'aéronautique, plus précisément dans l'étude des retards aéroportuaires. En effet, l'analyse actuellement réalisée se situe au niveau macroscopique et fournit un indicateur de retard moyen, sans tenir compte des mécanismes intermédiaires pouvant conduire au retard final. Ainsi, dans le cadre de la classification des retards aéroportuaires, tout comme dans les applications médicales, nous avons remplacé l'indicateur moyen par un modèle statistique paramétrique plus complet : les distributions de probabilité
Correction and Optimization of 4D aircraft trajectories by sharing wind and temperature information by Karim Legrand( Book )

2 editions published in 2019 in English and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

This thesis is related to air traffic management systems current changes. On the ground and in flight, trajectory calculation methods and available data differ. Wind and temperature are two ubiquitous parameters that are subject to and cause prediction bias. We propose a concept to limit this bias. Our "Wind and Temperature Networking" concept improves trajectory prediction, using wind and temperature information from neighboring aircraft. We detail the effects of temperature on the aircraft performances, allowing for temperature to be taken into account. The concept evaluation is done on 8000 flights. We discuss the calculation of optimal trajectories in the presence of predicted winds, to replace the current North Atlantic Tracks, and to provide optimized and robust groups of trajectories. The conclusion of this thesis presents other fields of wind sharing applications, and addresses the need for new telecommunications infrastructures and protocols
Détection & diagnostic de pannes pour les drones utilisant la machine learning by Elgiz Baskaya( Book )

2 editions published in 2019 in French and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

This new era of small UAVs currently populating the airspace introduces many safety concerns, due to the absence of a pilot onboard and the less accurate nature of the sensors. This necessitates intelligent approaches to address the emergency situations that will inevitably arise for all classes of UAV operations as defined by EASA (European Aviation Safety Agency). Hardware limitations for these small vehicles point to the utilization of analytical redundancy, rather than to the usual practice of hardware redundancy in manned aviation. In the course of this study, machine learning practices are implemented in order to diagnose faults on a small fixed-wing UAV to avoid the burden of accurate modeling needed in model-based fault diagnosis. A supervised classification method, SVM (Support Vector Machines) is used to classify the faults. The data used to diagnose the faults are gyro and accelerometer measurements. The idea to restrict the data set to accelerometer and gyro measurements is to check the method's classification ability, with a small and inexpensive chip set and without the need to access the data from the autopilot, such as the control input information. This work addresses the faults in the control surfaces of a UAV. More specifically, the faults considered are the control surface stuck at an angle and the loss of effectiveness.First, a model of an aircraft is simulated. This model is not used for the design of Fault Detection and Diagnosis (FDD) algorithms, but is instead utilized to generate data. Simulated data are used instead of flight data in order to isolate the probable effects of the controller on the diagnosis, which may complicate a preliminary study on FDD for drones. The results show that for simulated measurements, SVM gives very accurate results on the classification of the loss of effectiveness faults on the control surfaces. These promising results call for further investigation so as to assess SVM performance on fault classification with flight data. Real flights were arranged to generate faulty flight data by manipulating the open source autopilot, Paparazzi. All data and the code are available in the code sharing and versioning system, Github. Training is held offline due to the need for labeled data and the computational burden of the tuning phase of the classifiers. Results show that from the flight data, SVM yields an F1 score of 0.98 for the classification of control surface stuck faults. For the loss of efficiency faults, some feature engineering, involving the addition of past measurements is needed in order to attain the same classification performance. A promising result is discovered when spinors are used as features instead of angular velocities. Results show that by using spinors for classification, there is a vast improvement in classification accuracy, especially when the classifiers are untuned. Using spinors and a Gaussian Kernel, an untuned classifier gives an F1 score of 0.9555, which was 0.2712 when gyro measurements were used as features. In summary, this work shows that SVM gives a satisfactory performance for the classification of faults on the control surfaces of a drone using flight data
Optimisation du réseau de routes en zone terminale by Man Liang( Book )

2 editions published in 2018 in English and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

La congestion dans les Terminal Manoeuvring Area (TMA) des aéroports en hub est le principal problème dans le transport aérien chinois. Face au trafic extrêmement dense dans les TMAs, nous pouvons envisager d'automatiser une grande partie des opérations de routine, comprenant la planification, le séquencement et la séparation. Nous proposons dans cette thèse un nouveau système automatisé de séquencement des avions et de fusion des flux vers des pistes parallèles, qui sont utilisées dans la plupart des aéroports chinois. Notre méthodologie intègre un réseau de route 3D nommé Multi-Level and Multi-Point Merge System (MLMPMS) basé sur le concept de l'Area Navigation (RNAV) et un algorithme d'optimisation heuristique hybride pour trouver une solution correcte, opérationnellement acceptable. Un algorithme de Simulated Annealing (SA) spécifique et un module de génération de trajectoire collaborent pour rechercher la solution quasi optimale. Notre objectif est de générer en temps réel des trajectoires sans conflit, minimisant la consommation de carburant et permettant des méthodes de contrôle faciles et flexibles. Dans ce but, nous explorons en permanence les solutions possibles avec le moins de retard et assuront l'atterrissage le plus rapide. Nous déterminons quatre variables de décision pour contrôler chaque vol : l'heure et la vitesse d'entrée dans la TMA, le temps de vol sur l'arc de séquencement et le choix de la piste utilisée. La simulation de trajectoire dans les différentes phases de vol est basée sur le modèle de performances BADA. Dans le cas de l'aéroport de Beijing Capital International Airport (BCIA), les résultats numériques montrent que notre système d'optimisation de bonnes performances sur le séquencement et la fusion des trajectoires. Tout d'abord, il permet d'assurer des performances de résolution conflit très stables pour gérer les flux de trafic continuellement denses. Par rapport à l'algorithme Hill Climbing (HC), le SA peut toujours trouver une solution sans conflit, non seulement pour l'approche parallèle mixte ou séparée~(pour les arrivées), mais aussi pour les configurations parallèles indépendantes~ (départs et arrivées intégrés). Ensuite, avec un réseau d'itinéraires Multi-Level Point Merge (ML-PM) unique, il peut fournir une bonne solution de contrôle de la trajectoire pour traiter efficacement et économiquement différents types de flux d'arrivée. Il peut réaliser un temps de vol plus court et une descente vers le bas en Continuous Descent Approach (CDA) pour l'avion d'arrivée. Il peut réaliser un re-séquencement plus facile des avions avec un déplacement de position plus relâché. Théoriquement, les Maximum Position Shifting (MPS) peuvent atteindre 6 positions, surpassant la contrainte difficile de 3 positions. Troisièmement, l'algorithme montre son efficacité dans un modèle d'approche parallèle séparé avec une capacité de séquencement plus relâché. Par rapport au décalage de position forcé dur, qui est souvent utilisé dans le système actuel Arrival Manager (AMAN) et la méthode First Come First Served (FCFS) utilisé par les contrôleurs, il peut réduire le délai et le temps de transit moyens dans une situation d'arrivée très dense. Le palier par vol est inférieur à 12\% du temps de transit total dans la TMA. Quatrièmement, en configuration parallèle indépendant, il peut fournir des informations différentes concernant la valeur objectif associée, le temps de vol moyen, les trajectoires de croisement en point chaud entre les arrivées et les départs, l'efficacité avec différents arcs de séquencement conçus dans le réseau de route ML-PM etc
Contribution au guidage des avions en trafic à haute densité by Héctor Escamilla Núñez( Book )

2 editions published in 2018 in English and held by 2 WorldCat member libraries worldwide

Ce travail est développé dans le contexte des projets SESAR et Next-Gen, où de nouvelles applications de la gestion du trafic aérien (ATM) comme le concept de gestion d'opérations en 4D, se sont focalisées sur les opérations basées sur la trajectoire (TBO - Trajectory Based Operations). Ces opérations sont en relation avec l'extension de la flexibilité de la séparation entre avions, et par conséquence, avec l'augmentation de la capacité du trafic aérien. En sachant qu'une évolution des routes fixes et autorisations émises par le contrôle du trafic aérien (ATC - Air Traffic Control) vers des trajectoires flexibles est imminente, en s'appuyant en même temps aux niveaux les plus élevés de l'automatique embarquée, ce travail de recherche s'intéresse aux sujets qui aideront à la transition des systèmes actuels vers les systèmes compatibles avec les nouveaux besoins des TBO. Les principaux axes de recherche de ce manuscrit s'articulent en trois points: La génération de trajectoires en 4D, le guidage en 4D, et l'estimation de la masse d'un avion pour l'optimisation des trajectoires. Concernant la génération des trajectoires, le besoin des utilisateurs d'espaces aériens de planifier leurs routes préférées à partir d'un point d'entrée dans l'espace aérien sans être limités par les configurations existantes est considéré. Une solution particulière pour la génération de trajectoires lisses en 4D à partir de points de contrôle prédéfinis est alors explorée. La méthode proposée s'appuie sur les courbes de Bézier, et elle permet de contrôler la distance euclidienne entre le point de contrôle donné et la trajectoire proposée. Ceci est fait en modifiant la trajectoire de telle façon qu'elle reste à l'intérieur des limites des facteurs de charge, en considérant un compromis entre la courbure de la trajectoire et la vitesse voulue de l'avion, ce qui représente une étape importante dans le chemin vers les TBO. Le guidage précis en 4D améliorera la sûreté en diminuant l'occurrence de quasi-collisions aériennes pour des trajectoires en 4D planifiées en avance. En conséquence, deux autopilotes et deux méthodes de guidage sont développées avec l'objectif de réduire la charge de travail des contrôleurs du trafic aérien associée à un vol. Les techniques de backstepping et feedback linearization sont utilisées pour le pilotage, alors que l'inversion non linéaire directe et indirecte sont adoptées pour le guidage. De plus, l'impact de la connaissance inexacte de la masse de l'avion dans le suivi de trajectoires, ses conséquences dans l'optimisation, la consommation de carburant, et la performance de l'avion, a conduit à l'implémentation d'une estimation embarquée de la masse de l'avion. L'approche créée est basée sur les moindres carrées, en fournissant des estimations de la masse initiale et la masse courante, toutes les deux avec une précision suffisante pour atteindre les objectifs liées aux TBO. Les méthodes proposées dans cette thèse sont examinées en utilisant un modèle à six degrés de liberté, dont les paramètres approchent un appareil du type B737-200 ou A320-200. La simulation est basée sur une modélisation complète et non linéaire de la dynamique des avions de transport incluant des perturbations liées au vent. Des réseaux de neurones sont utilisés pour obtenir les différents coefficients aérodynamiques correspondant aux forces et moments de l'avion
Optimisation topologique de structures sous contraintes de flambage by Florian Mitjana( )

1 edition published in 2018 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

Topology optimization aims to design a structure by seeking the optimal material layout within a given design space, thus making it possible to propose innovative optimal designs. This thesis focuses on topology optimization for structural problems taking into account buckling constraints. In a wide variety of engineering fields, innovative structural design is crucial. The lightening of structures during the design phase holds a prominent place in order to reduce manufacturing costs. Thus the goal is often the minimization of the mass of the structure to be designed. Regarding the constraints, in addition to the conventional mechanical constraints (compression, tension), it is necessary to take into account buckling phenomena which are characterized by an amplification of the deformations of the structure and a potential annihilation of the capabilities of the structure to support the applied efforts. In order to adress a wide range of topology optimization problems, we consider the two types of representation of a structure: lattice structures and continuous structures. In the framework of lattice structures, the objective is to minimize the mass by optimizing the number of elements of the structure and the dimensions of the cross sections associated to these elements. We consider structures constituted by a set of frame elements and we introduce a formulation of the problem as a mixed-integer nonlinear problem. In order to obtain a manufacturable structure, we propose a cost function combining the mass and the sum of the second moments of inertia of each frame. We developed an algorithm adapted to the considered optimization problem. The numerical results show that the proposed approach leads to significant mass gains over existing approaches. In the case of continuous structures, topology optimization aims to discretize the design domain and to determine the elements of this discretized domain that must be composed of material, thus defining a discrete optimization problem. [...]
Système multi-agents pour l'auto-structuration du trafic aérien by Romaric Breil( )

1 edition published in 2017 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

La gestion des flux de trafic aérien (ATFM) cherche à structurer le trafic de manière à réduire la congestion dans l'espace aérien. La congestion étant causée par les avions volant dans les mêmes portions de l'espace aérien en même temps, l'ATFM organise le trafic dans les dimensions spatiales (ex. le réseau de routes) et dans la dimension temporelle (ex. séquencement et fusion de flux d'avions atterrissant ou décollant aux aéroports). L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie qui permet au trafic aérien de s'auto-structurer dans les dimensions spatiales et temporelle quand la demande est élevée. Cette structuration disparait quand la demande diminue. Pour remplir cet objectif, un système multi-agents a été développé, dans lequel les avions coopèrent pour structurer le trafic. Les systèmes multi-agents possèdent plusieurs avantages, incluant une bonne résilience aux perturbations, la résilience étant la capacité du système à modifier ses décisions de manière à retrouver un état stable après l'occurrence d'une perturbation dans son environnement. Dans ce système, trois algorithmes sont implémentés, visant à réduire la com- plexité du trafic de trois manières différentes. Le premier algorithme permet aux agents avions volant sur un réseau de route de réguler leur vitesse de manière à ré- duire le nombre de conflits, un conflit se produisant quand deux avions ne respectent pas les normes de séparation. Le deuxième algorithme permet aux avions de résoudre les conflits quand le trafic n'est pas structuré par un réseau de routes. Le troisième algorithme crée des réseaux de routes locaux temporaires pour structurer le trafic. Les trois algorithmes implémentés dans ce système multi-agents permet de réduire la complexité globale du trafic, qui devient plus simple à gérer pour les contrôleurs aériens. Ces algorithmes sont appliqués à des exemples réalistes et sont capables de structurer le trafic de manière résiliente
Contribution to the evaluation and optimization of passengers' screening at airports by Carl Rizk( )

1 edition published in 2019 in English and held by 1 WorldCat member library worldwide

Security threats have emerged in the past decades as a more and more critical issue for Air Transportation which has been one of the main ressource for globalization of economy. Reinforced control measures based on pluridisciplinary research and new technologies have been implemented at airports as a reaction to different terrorist attacks. From the scientific perspective, the efficient screening of passengers at airports remain a challenge and the main objective of this thesis is to open new lines of research in this field by developing advanced approaches using the resources of Computer Science. First this thesis introduces the main concepts and definitions of airport security and gives an overview of the passenger terminal control systems and more specifically the screening inspection positions are identified and described. A logical model of the departure control system for passengers at an airport is proposed. This model is transcribed into a graphical view (Controlled Satisfiability Graph-CSG) which allows to test the screening system with different attack scenarios. Then a probabilistic approach for the evaluation of the control system of passenger flows at departure is developped leading to the introduction of Bayesian Colored Petri nets (BCPN). Finally an optimization approach is adopted to organize the flow of passengers at departure as best as possible given the probabilistic performance of the elements composing the control system. After the establishment of a global evaluation model based on an undifferentiated serial processing of passengers, is analyzed a two-stage control structure which highlights the interest of pre-filtering and organizing the passengers into separate groups. The conclusion of this study points out for the continuation of this theme
Implémentations d'optimisation-simulation pour l'harmonisation des opérations dans les grands aéroports by Paolo Maria Scala( )

1 edition published in 2019 in French and held by 1 WorldCat member library worldwide

The constant growth of air traffic, especially in Europe, is putting pressure on airports, which, in turn, are suffering congestion problems. The airspace surrounding airport, terminal manoeuvring area (TMA), is particularly congested, since it accommodates all the converging traffic to and from airports. Besides airspace, airport ground capacity is also facing congestion problems, as the inefficiencies coming from airspace operations are transferred to airport ground and vice versa. The main consequences of congestion at airport airspace and ground, is given by the amount of delay generated, which is, in turn, transferred to other airports within the network. Congestion problems affect also the workload of air traffic controllers that need to handle this big amount of traffic. This thesis deals with the optimization of the integrated airport operations, considering the airport from a holistic point of view, by including operations such as airspace and ground together. Unlike other studies in this field of research, this thesis contributes by supporting the decisions of air traffic controllers regarding aircraft sequencing and by mitigating congestion on the airport ground area. The airport ground operations and airspace operations can be tackled with two different levels of abstractions, macroscopic or microscopic, based on the time-frame for decision-making purposes. In this thesis, the airport operations are modeled at a macroscopic level. The problem is formulated as an optimization model by identifying an objective function that considers the amount of conflicts in the airspace and capacity overload on the airport ground; constraints given by regulations on separation minima between consecutive aircraft in the airspace and on the runway; decision variables related to aircraft entry time and entry speed in the airspace, landing runway and departing runway choice and pushback time. The optimization model is solved by implementing a sliding window approach and an adapted version of the metaheuristic simulated annealing. Uncertainty is included in the operations by developing a simulation model and by including stochastic variables that represent the most significant sources of uncertainty when considering operations at a macroscopic level, such as deviation from the entry time in the airspace, deviation in the average taxi time and deviation in the pushback time
Optimization of aircraft trajectories over the North Atlantic Airspace by Imen Dhief( Book )

1 edition published in 2018 in English and held by 1 WorldCat member library worldwide

The objective of the present thesis is to propose new more efficient trends to improve the air traffic situation over the North Atlantic (NAT) airspace. In fact, the NAT is considered to be the most congested oceanic airspace in the world. For many years, air traffic control in this airspace has experienced many difficulties caused by the time zone differences, passenger demands and strong winds induced by the jet streams. This leads to high congestion in the airspace especially at peak hours. Furthermore, flight trajectory prediction and control are very limited due to the lack of radar coverage in oceanic airspace. To support conflict-free flight progress, a structure of routes, called Organized Track System (OTS), is established in the NAT and very restrictive separation standards are applied. These rigid rules oblige flights to follow non-optimal trajectories, which negatively influences the fuel consumption and the total flight cost. In order to guarantee efficient traffic separation in the context of ever increasing trafic density, alternative means of communication, navigation and surveillance were developed and progressively be implemented, one of the most promising being the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B). The widespread use of ADS-B makes it possible to organize traffic in new ways, as an alternative to the OTS, which is the main focus of the current work. First of all, we investigate the possibility of introducing the Free Flight Concept (FFC) in NAT. Indeed, we present an approach to construct and organize NAT traffic based on a swarm behavior. Here, the traffic is considered as a Multi-Agent system where all flights cooperate, thanks to ADS-B equipage, in order to construct their trajectories, while detecting and resolving conflicts between each other. The resulting trajectories are efficient in term of cruise time. However, they are not robust regarding changing winds. Next, we propose a new route structure for eastbound NAT traffic that benefit from the jet stream. This route structure is called Wind-Optimal Track Network (WOTN), and is constructed based on the reduced separation norms. WOTN covers larger airspace than the OTS, in order to handle the growing traffic. Roughly, WOTN is constructed in such a way that nearby parallel tracks are made to follow the jet streams and re-routing between tracks is only allowed in the input and output sections of the structure. Results reveal the importance of implementing a route structure in order to guaranty robust trajectories in the face of strong winds. Finally, we propose an approach to allow aircraft to safely exit the route structure in case of an emergency. The overall methodologies are implemented and tested with eastbound flight data over the NAT. We thereby produce conflict-free and robust trajectory planning for eastbound NAT flights, while benefiting from the reduced separation norms and the jet stream thus proving the efficiency of our approaches
Dynamic optimization of airspace sector grouping by Tambet Treimuth( )

1 edition published in 2018 in English and held by 1 WorldCat member library worldwide

The current airspace configuration is highly structured, fixed and is less responsive to changes causing the overall system to lack the flexibility, adaptability, and responsibility needed to handle the increasing air traffic demands in the near future. The work presented in this thesis aims at improving the flexibility and adaptability of today's airspace management in Europe in a pretactical context. We focus on the development of a method to support a process of automatic generation of a sequence of sector configurations composed of predefined sectors. Airspace configurations should be dynamically adjusted to provide maximum efficiency and flexibility in response to demand fluctuations. We dynamically build configurations by combining existing elementary sectors. In this step, any sector combination which forms controllable airspace blocks is eligible and may be used during the day of operation. In this work, we developed efficient methods to solve DAC problem. We formulated and study the sectorization problem from an algorithmic point of view. We proposed methods based on a mathematical modeling and heuristic optimization techniques. We also introduced here an approach to evaluate the workload inside sectors
 
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ENAC. Équipe de recherche Optimisation et Systèmes Dynamiques (Toulouse)

ENAC. OPTIM (Toulouse)

OPTIM (Toulouse)

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