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Développement d'une interface universelle capteurs-drone pour une cartographie 3D de polluants atmosphériques H/F

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Français - Anglais

Date Limite Candidature : samedi 15 octobre 2022

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Informations générales

Référence : UMR7304-PASTAR-001
Lieu de travail : AIX EN PROVENCE
Date de publication : vendredi 9 septembre 2022
Nom du responsable scientifique : Pascal Taranto, Hassan Aziza
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Le projet SMILE, actuellement en fin de POC, vise à développer une flottille de capteurs connectés auto-calibrants (rupture technologique, brevet en cours) distribuée au sein de la population et des services urbains pour mapper en 2D la pollution urbaine de façon réelle (par des capteurs low-cost mais rendus précis et non par simulation algorithmique) au niveau d'une rue, en temps réel, avec mise à disposition des informations cartographiées sur une plateforme collaborative citoyenne, afin de créer une communauté incitative citoyens/académiques/politiques/monde socio-économique (rupture d'usage).
ATMO3D est la suite logique de SMILE. Il s'agit de développer la cartographie des polluants urbains en 3D, sur toute la couche atmosphérique pertinente (hauteur d'immeubles, topologie urbaine…) en utilisant des drones munis de capteurs. De premières expériences concluantes ont été menées.
- Exposé scientifique du projet
Le marché du drone civil connaît une croissance exponentielle. Sur la période 2012-2019, les constructeurs et exploitants français ont connu une croissance de 900% selon une étude de l'Erdyn . En 2018, 78% du marché français des drones civils en valeur étaient représentés par les drones professionnels, contre 22% pour les drones de loisir. Dans ce contexte, le projet proposé s'intéresse à la mesure scientifique déportée à l'aide de capteurs embarqués sur des systèmes de type drones. Les capteurs ciblés sont des capteurs environnementaux capables d'évaluer la concentration des polluants atmosphériques règlementaires. Les polluants (O3, NO2, NOx, COV) seront considérés, car leur présence dans l'atmosphère donne une indication directe sur le niveau ou sur le type de pollution atmosphérique. La présence de particules fines (PM10, PM2.5) et ultra fines (PM1), que l'on retrouve surtout en zone urbaine (trafic routier et en particulier moteurs diesel anciens, chauffage individuel au bois, industrie, etc.) sera aussi adressée. Concernant le substances nocives, l'étude sera étendue à des capteurs spécifiques ciblant des émissions d'origine humaine de substances comme le mercure, le plomb et le cadmium.
Le projet ambitionne de donner une dimension supplémentaire à la mesure scientifique de gaz atmosphériques en considérant la troisième dimension (i.e., cartographies 3D). L'impact de la maîtrise d'une telle technologie est indéniable. En effet, le système proposé débouchera sur une meilleure connaissance du comportement des polluants atmosphérique (aide à la calibration de modèles de propagation dans les différentes hauteurs de la couche atmosphérique avec les données météorologiques et de géographie urbaine) au-delà de sa capacité détection 3D de polluants.

- L'état de l'art

Actuellement il existe très peu de solutions dans le commerce qui articulent Drone/capteur de pollution (notre Drone d'Essai et son sniffer sont la seule que nous connaissions). Il n'existe pas d'interface universelle de mesure de données environnementales à partir de drones comme celle que nous voulons développer. Il n'existe pas non plus de solution globale pour la pollution atmosphérique urbaine qui articule flottille de capteurs auto-calibrants, application mobile, plateforme collaborative citoyenne (SMILE) et drones équipés d'une interface universelle drone/capteurs (ATMO3D).
En ce qui concerne la mesure de données environnementales proprement dite, les capteurs fixes sont précis, mais encombrants, onéreux et énergivores. Ils utilisent des technologies d'analyse classique en physico-chimie, chimiluminescence, chromatographie en phase gazeuse, spectrométrie de masse etc. et sont généralement calibrés en laboratoire. Ils sont trop peu nombreux pour couvrir de manière efficace le territoire. On compte seulement 70 stations de mesure en région PACA. Les données scientifiques ne sont alors pas produites avec une résolution suffisante. A côté de ces capteurs fixes, les capteurs mobiles sont des capteurs à base de semi-conducteurs, maniables et très peu encombrants. Mais ils ne donnent pas la même valeur pour une même concentration mesurée à quelques jours d'intervalle. Cette dérive est une caractéristique physique intrinsèque de la technologie. Le principe de fonctionnement est basé sur la variation de conductivité d'une couche semi-conductrice en présence d'un gaz. La désorption du gaz n'est jamais totale, elle varie en fonction du capteur et est peu reproductible.
Pour obtenir la fiabilité et la précision maximale, un étalonnage est nécessaire. Il peut être fait en laboratoire en extrayant les capteurs du dispositif, et cela de manière régulière. Or, cette approche est très couteuse à l'échelle d'un réseau de capteur distribué. Dans ce contexte, le projet proposé ambitionne, d'une part, la mise en place d'un système de mesure de polluants atmosphériques à partir de drones et d'autre part la mise en place d'un système d'auto-calibration dynamique de capteurs mobiles (souvent qualifiés de « low-cost ») à partir de drones. Des capteurs de coût très faible, modulables et diversifiés (différents gaz et particules) peuvent alors être déployés sur une large échelle (maillage urbain 2D/3D) avec une précision satisfaisante pour fournir des données de valeur scientifique.

Le consortium pour mener à bien ce projet regroupe à la fois des concepteurs de capteurs électroniques, des concepteurs de drones et d'instrumentation embarquée et des utilisateurs de ces nouveaux moyens d'investigation de la variabilité spatiale de données environnementales. Le principaux verrous scientifiques et techniques seront liés à l'autonomie du drone et à la capacité de n'importe quel système de mesure (capteur) à s'interfacer avec le drone (interface universelle). En effet, d'une part, les drones sont alimentés par batterie et ces dernières ne sont pas dimensionnées de manière à alimenter des capteurs additionnels. Par conséquent, la phase de conception des capteurs devra trouver un juste équilibre entre fonctionnalités, coûts, taille, poids et consommation. D'autre part, la diversité des drones présents sur le marché impliquera des modifications logicielles et matérielles au niveau du drone de manière à proposer une interface drones-capteurs universelle. La faisabilité du projet sera garantie puisque le projet s'appuiera sur les expertises complémentaires de trois partenaires : le Centre CGGG (transition sociale et usages du numérique), l'IM2NP (technologie micro-électronique des capteurs) et la société Flying Eye spécialisée dans la technologie drones : https://www.flyingeye.fr/

Pascal Taranto et le CGGG portent plusieurs projets numériques qui visent à encapsuler des technologies brutes (microélectronique, IA, algorithmes) dans des interfaces numériques pensées pour favoriser une réappropriation de la technologie et des outils numériques par les citoyens (science ouverte et participative). Cette philosophie est par essence interdisciplinaire parce qu'elle fait appel d'un côté à des unités qui recherchent des innovations de rupture et de l'autre à une orientation sociale des ruptures grâce à la puissance des réseaux et à des innovations en ergonomie, fonctionnalités, cohérence des plateformes. La collaborativité doit pousser les citoyens à s'engager vers des évolutions de conscience et d'habitus comportementaux grâce aux actions classiques (mise à dispositions d'informations, cartographies…) mais aussi d'échange et de co-élaboration de solutions avec d'autres citoyens, les pouvoirs publics, la recherche académique et le monde socio-économique. Or la pollution environnementale, et notamment atmosphérique, est l'indicateur qui révèle comment et combien le mode d'organisation sociale de la production de biens, de richesses et de services qui est le nôtre est la cause directe, à l'échelle individuelle, d'effets sanitaires délétères, et à l'échelle globale, d'effets environnementaux catastrophiques (réchauffement climatique directement lié à la production de CO2). Un monitoring cohérent et bien pensé doit avoir un effet de feed-back sur toutes les parties prenantes et aider à l'engagement dans la transition climatique.
Encore faut-il que les données fournies soient accessibles, fiables et précises. Hassan Aziza travaille sur les technologies susceptibles de fournir de telles données avec le développement d'un procédé d'auto-calibration dynamique de capteurs environnementaux destiné à compenser les dérives de ces derniers. Ce procédé fait actuellement l'objet d'un dépôt de brevet avec la SATT Sud-Est. Pascal Taranto et Hassen AZIZA travaillent depuis 2018 en étroite collaboration dans le cadre du projet SMILE dédié à la mesure et l'analyse de polluants atmosphériques, avec pour objectif la maximisation de l'impact social de ces mesures. (projet Région DARII et financement SATT en 2019, dépôt d'un aap H2020 Green Deal, participation au dépôt d'un PEPR PIA4 – en cours).

- Objectifs et livrables du projet ATMO3D

Ce projet nécessite le développement d'une interface universelle capteurs-drone pour une cartographie 3D des polluants atmosphériques et substances nocives, pour laquelle nous demandons un renforcement de nos capacités RH (contrat doctoral).
SMILE est un projet de science participative (crowdsourcing des données de pollution atmosphériques mises à disposition sur des plateformes collaboratives en cartographie 2D). ATMO3D en est une évolution.
Les travaux du doctorant auront pour objectif de développer une interface logicielle/matérielle permettant d'interfacer n'importe quel capteur environnemental avec un drone de manière à obtenir des cartographies 3D. Une application de ces drones munis de capteurs sera privilégiée : l'auto-calibration dynamique de capteurs « low-cost » embarqués sur le drone. En effet, le drone sera utilisé de manière à permettre une auto-calibration dynamique d'une flottille de capteurs environnementaux dits « low-cost », et cela, à la demande. Le procédé de calibration sera le suivant :
- A partir du type de capteurs embarqués dans l'objet connecté, le drone ciblera une ou plusieurs stations de référence.
- Le drone se rendra à ces stations en vol automatique.
- Lorsque le drone est co-localisé avec ces stations (GPS), l'auto-calibration du capteur embarqué est réalisée.
- Le drone est envoyé aux objets connectés à recalibrer.
- Enfin, lorsque le drone est co-localisé par les objets connectés à calibrer, les capteurs se calibrent automatiquement à partir de ses données.
- Un avantage de cette technique est que les capteurs restent au sein des objets connectés et aucune opération de re- calibration en laboratoire n'est nécessaire, cette re-calibration étant très onéreuse si on doit récupérer tous les capteurs d'une flotte mobile.

Avec une flottille de quelques centaines de capteurs peu onéreux distribués aux citoyens (coût de revient du prototype actuel réalisé pour la POC SMILE : 90 USD) il est possible de mailler une ville de façon dynamique (capteurs mobiles distribués aux citoyens via des associations environnementales) et de les re-calibrer par drones dès que la mesure dérive pour avoir constamment des données fiabilisées comparables à celles des stations fixes de 50K€, à l'échelle d'une rue, en 2D et 3D.
Notre procédé, in fine, peut permettre de déterminer une véritable signature de la pollution atmosphérique d'une ville à une échelle de polluants et de localisation spatio-temporelle de leur production ou dispersion très fine, sur toute la couche atmosphérique, et de la comparer à d'autres ensembles urbains sur nos plateformes collaboratives. Cela rendra possible une réflexion croisée sur les causes et les solutions les plus satisfaisantes pour l'ensemble des acteurs, pour chaque cas. La personne recrutée doit avoir une forte sensibilité aux problématiques SHS de l'empowerment des citoyens via la collecte de données et être capable de mener une véritable réflexion sur les impacts de la technique sur les sociétés humaines, aussi bien dans ses aspects négatifs(liés à une certaine organisation économique) que positifs (par exemple dans une perspective schumpétérienne).
En résumé:
- interface universelle et procédé de re-calibration brevetable
- Données captées et cartographies 2D/3D partagées des sites d'études.
- Diffusion du savoir-faire et de la technologie auprès de la communauté scientifique.
- La gestion du site web pour le partage d'expériences en ergonomie 3D.
- Réflexion sur l'impact de la science participative sur les représentations sociales des citoyens et leurs actions.

Contexte de travail

Pascal Taranto est actuellement PR1C à Aix-Marseille Université, directeur du Centre Gilles Gaston Granger depuis 2015 (UMR7304, histoire de la philosophie, épistémologie et histoire des sciences, 50 membres) et spécialisé en philosophie des Lumières . Depuis 2016, il développe au sein de l'unité un programme ambitieux sur la transition numérique de la recherche et de l'enseignement, en collaboration avec différents partenaires : AMU, CNRS, Instituts AMU (inCIAM, SoMuM, Origines), écoles et réseaux thématiques (Eco-Complex, Equipex IDEE, RTP éducation, fédération SFERE, AMPIRIC), et partenaires privés ou semi-privés (entreprises françaises et européennes sur l'AAP H2020 Green Deal SMILE déposée en janvier 2021, SATT). Co-responsable de l'axe 5 (SHS) du PEPR PIA4 MonEnvi (Monitoring Environnemental) déposé par Fabien Pascal (U. Montpellier) en décembre 2021. Les 2 programmes financés les plus avancés sur les 10 en préparation, actuellement en POC (avec DI et brevets en cours) sont : LABΩ (plateformes collaboratives de recherche, 270K€ SATT, MITI, inSHS, DARII-Sud) et SMILE avec l'IM2NP (système de multi-capteurs auto-calibrants pour le contrôle citoyen de la pollution atmosphérique urbaine sur une plateforme collaborative dédiée, avec Hassan Aziza : 230K€, Satt-SE, DARII-Sud, MITI, inSHS). ATMO3D est une partie spécifique de SMILE, qui sera présenté Innovatives SHS 2022.
Hassan Aziza est actuellement MCF HDR à Aix-Marseille Université et responsable de l'équipe mémoire du laboratoire IM2NP (UMR CNRS 7334). L'équipe mémoire, forte de 11 enseignants-chercheurs (4 PR et 7 MCF) adresse les systèmes microélectroniques avancés. Hassen Aziza dirige et a dirigé 10 thèses de doctorat et est (co)auteur de 50 revues scientifiques, 86 conférences internationales avec actes et 6 brevets. Hassen Aziza contribue et a contribué en tant que responsable et co-responsable scientifique aux programmes et contrats suivants : ANR-DIPMEM (2013), projet FUI (2016), projet européen IPCEI NANO 2022 (2019), projet DARII-Sud (2019), CNRS-MITI (2020) et « Drone Tracking » (2020) avec la direction du numérique (DNUM) du ministère de l'intérieur. Au niveau international, Hassen Aziza collabore avec Delft University of technology (TU Delft), AUB (American University of Beirut) et LIU (Lebanese International University) dans le cadre de deux thèses en cotutelle. Hassen Aziza a été l'organisateur de la conférence internationale IEEE DTIS en tant que « general chair » en 2020 (http://www.lirmm.fr/DTIS2020/) et « program chair » de la conférénece IEEE DTIS en 2021 (http://www.lirmm.fr/DTIS2021/). Par ailleurs, Hassen Aziza est expert scientifique référencé auprès de BPI France et des DGRI (Directions générales de la recherche et de l'innovation) pour l'expertise de dossiers liés au CIR (crédit Impôt Recherche) et JEI (Jeune Entreprise Innovante).
Outre son implantation à Aix, le doctorant ou la doctorante sera donc amené à travailler dans le laboratoire de M. Aziza, l'IM2NP équipe MEM à St-Jérôme, Marseille 13.

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