Offre de thèse au laboratoire LORIA à Nancy

Une thèse est à pourvoir au laboratoire LORIA, université de Lorraine à Nancy. Le sujet porte sur le développement de  " Modèles et algorithmes pour le système d’orchestration d’un réseau de transport à la demande sur rails". Le sujet est fiancé par le projet ANR COMMITS et le début est prévu pour septembre/octobre 2024.  ci-après le detail du sujet : 

Offre de thèse

Titre du projet de thèse : Modèles et algorithmes pour le système d’orchestration d’un réseau de transport à la demande sur rails

Localisation : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications LORIA – UMR 7503 – Université de Lorraine, Nancy.

Financement : Projet ANR COMMITS

Début de la thèse : Septembre – Octobre 2024

Encadrement : Abdelkader Lahmadi , Ammar Oulamara, Ye-Qiong Song

Profil recherché : formation d’ingénieur ou M2 Recherche en informatique, recherche opérationnelle, mathématiques appliquées ou équivalent. Des connaissances en optimisation, IA. Très bon niveau de programmation

Candidature : CV, relevé de notes de Master ou d’ingénieur, lettre de motivation, à envoyer à :

abdelkader.lahmadi@loria.fr, ammar.oulamara@loria.fr, ye-qiong.song@loria.fr

Contexte

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR COMMITS (COnverged coMMunication, control and scheduling Infrastructure for multi pods-based Transport Systems) qui vise à répondre aux défis de la mobilité urbaine avec une alternative efficace à l’utilisation de la voiture en ville. Il s’agit d’un nouveau mode de transport urbain, appelé Urbanloop, développé par l'agglomération de Nancy, la région Grand Est, l'Université de Lorraine et de la stratup Urbanloop SAS. Un réseau Urbanloop est composé d’une flotte de pods (capsules) autonomes. Les pods sont 100 % électriques, circulent sur des boucles ferroviaires interconnectées, leur alimentation est fournie par les rails et chaque pod peut transporter une à deux personnes. Les stations sont détachées des boucles du circuit principal, ce qui permet aux pods de les rejoindre dès leur arrivée et d'être conduits sans arrêts ni correspondances intermédiaires jusqu'à leur destination. Le système Urbanloop (https://urbanloop.fr/) garantit aux usagers une mobilité à la demande, sûre, sans temps d'attente, sans arrêts intermédiaires ni connexions, à une vitesse moyenne de 60 km/h. Un circuit de développement et d'essai comprenant 1,5 km de rail avec 4 pods, 3 stations et 2 boucles est installé proche de Nancy.

Actuellement, un système centralisé autonome pour le contrôle des pods est utilisé avec quelques pods fonctionnant simultanément. Cependant, le passage à l’échelle avec au moins un millier de pods soulève plusieurs défis scientifiques et technologiques majeurs concernant l'efficacité et la résilience des services de communication, d'ordonnancement et de contrôle pour exploiter le système en toute sécurité tout en satisfaisant les demandes des passagers en temps réel. Le projet COMMITS a pour objectif de développer un système cyberphysique doté d'une infrastructure convergente de communication, d'ordonnancement et de contrôle capable de fournir : (i) des réponses instantanées, automatiques et adaptatives à de multiples demandes simultanées d'itinéraires de pods ; (ii) le contrôle de l'ensemble du réseau de rails tout en respectant les contraintes de sécurité, de sûreté et de temps.

Sujet de thèse

Les travaux de cette thèse rentrent dans le cadre du projet COMMITS et visent le développement des algorithmes d’orchestration et de routage des pods dans un réseau complexe avec plusieurs boucles et pods. Il s’agit de concevoir, dans un premier temps, un système de décision centralisé et autonome pour l’assignation des pods aux requêtes de transport de passagers, le routage des pods, et le redéploiement des pods vides sur le réseau et les stations dans la perspective de demandes futurs (incluant la modélisation des demandes historiques et la prédiction basée sur les approches de machine learning). Ce système nécessite le développement de modèles et algorithmes efficaces d’optimisation, tout en tenant compte des contraintes techniques du système, de sûreté de sécurité et de contrôle des pods. Plus précisément, il s’agit d’exploiter l'architecture CBTC (Communications-Based Train Control) [IEEE1474] avec la communication temps réel entre l’orchestrateur et les pods, en considérant en particulier le concept de bloc mobile et la contrainte sur le délai de communication du réseau sans fil utilisé (e.g., WiFi, 4G), pour mettre en oeuvre un orchestrateur centralisé. L’orchestrateur calculera pour chaque contrôleur de zone la vitesse et la distance maximales que chaque pod est autorisé à parcourir et les enverra aux pods. Ce calcul est le résultat du routage de tous les pods assignés (en charge des demandes de transport de passagers) et des pods vides. Ce système centralisé, constituera une base de référence et permettra d’identifier les limites potentielles pour le traitement d’un grand nombre de pods.

La seconde partie des travaux de thèse visent à proposer une approche d’orchestration hiérarchique et distribuée des différentes fonctions de contrôle et d'ordonnancement afin de permettre le passage à l’échelle du système tout en respectant les contraintes requises. Chaque fonction (contrôle, ordonnancement, routage, assignation, etc.) qui participe au système d'orchestration sera distribuée en s’appuyant sur une architecture de réseau sans fil temps réel capables de garantir une borne supérieure des délais (e.g, Time Sensitive Networking sur WiFi, 5G [Zanbouri2023], [Satka2023]), pour qu'elle soit mise en oeuvre soit au niveau centralisé, soit au niveau d'une boucle, soit au niveau d'une jonction, soit intégrée à un pod. L'impact du niveau de décentralisation pour chaque fonction sera évalué en termes de sécurité, de disponibilité et d'efficacité selon plusieurs métriques (latence de communication, temps d'exécution, sécurité, évolutivité). À la fin, un niveau de décentralisation optimal sera identifié pour chaque fonction afin de construire le système d'orchestration global.

Un outil de simulation sera développé pour expérimenter l’outil d’orchestration centralisé et distribué. En outre, le banc d'essai Urbanloop disponible sera mis à disposition avec au moins 10 pods, afin de réaliser des expérimentations des différentes fonctionnalités d’orchestration sur les 3 boucles et les 3 stations déjà déployées.

Références

[IEEE1474] 1474.1-1999 - IEEE Standard for Communications-Based Train Control (CBTC)

[Yin2014] C. Ying. Impact of moving block system on railway timetable planning: A qualitative study on existing timetables. Int. J. Sci. Eng. Res., 2014, vol. 5, no 6, p. 1162-1166.

[Dua2018] H. Duan and F. Schmid, "Optimised Headway Distance Moving Block with Capacity Analysis," 2018 International Conference on Intelligent Rail Transportation (ICIRT), Singapore, 2018, 1-5.

[Liu2017] Liu P, Han B. Optimizing the train timetable with consideration of different kinds of headway time. Journal of Algorithms & Computational Technology. 2017;11(2):148-162.

[Qua2022] Egidio Quaglietta, Meng Wang, Rob M.P. Goverde. A multi-state train-following model for the analysis of virtual coupling railway operations. Journal of Rail Transport Planning & Management, Volume 15, 2020, 100195.

[Rui2022]M. Rui. A capacity-effective scheduling approach for virtual coupling train operations. 2022.

[Wang2014] Yihui Wang, Bart De Schutter, Ton J.J. van den Boom, Bin Ning. Optimal trajectory planning for trains under fixed and moving signaling systems using mixed integer linear programming. Control Engineering Practice, Volume 22, 2014,Pages 44-56.

[Satka2023] Zenepe Satka, Mohammad Ashjaei, Hossein Fotouhi, Masoud Daneshtalab, Mikael Sjödin, Saad Mubeen: “A comprehensive systematic review of integration of time sensitive networking and 5G communication”. J. Syst. Archit. 138: 102852 (2023).

[Zanbouri2023] Kouros, Md. Noor-A-Rahim, Jobish John, Cormac J. Sreenan, H. Vincent Poor, and Dirk Pesch,“A Comprehensive Survey of Wireless Time-Sensitive Networking (TSN): Architecture, Technologies, Applications, and Open Issues”, https://arxiv.org/html/2312.01204v1