
Equipe Processes for Safe and Secure Software and Systems (P4S)
Augmenter la sûreté et la sécurité de fonctionnement des systèmes numériques : axes méthodologiques
- La modélisation système pour décrire les besoins du système sous étude
- La modélisation des processus de construction et leur amélioration, central pour la sûreté, la sécurité et plus généralement la confiance du système étudié.
- La fédération de modèles car de nombreux points de vue doivent être combinés.
- La modélisation libre pour permettre facilement la construction de points de vue spécifiques et aucun framework ne peut supporter tous les points de vue.
- La vérification formelle à tous les niveaux : intra-modèle, inter-modèles.
- Et méthodes automatiques aussi bien que semi-automatiques.
Compétences
• Ingénierie dirigée par les modèles,
• Génie Logiciel,
• Vérification logicielle
• Lignes de produits
• Systèmes (auto) adaptables
• Systèmes cognitifs
• Ingénierie des exigences
• Spécification formelle
• Diagnostic
• Sémantique exécutable,
• Vérification formelle
• Débogage.
Collaborations
- Entreprises : Airbus, Thales, PragmaDEV, Kereval, Davidson, Lucio-Zekat
- Institutions : DGA, CEA
- Académiques : IRISA
- GDR : GPL, SOC2
Dans un contexte économique mondial très compétitif, l'industrie aéronautique représente l'un des atouts de la France. Composé de grandes, moyennes et petites entreprises, le secteur aéronautique français est le seul, avec celui des Etats-Unis, à disposer de toutes les capacités pour développer, produire et commercialiser des avions, civils et militaires. Le gouvernement français a mis en place un plan de soutien au secteur aéronautique dont l'objectif est de préserver les savoir-faire et les compétences françaises, tout en réalisant les transformations profondes à mener en faveur de la transition écologique. La stratégie est orientée vers la transition environnementale et la décarbonisation du transport aérien.
L'industrie aéronautique française a acquis une expertise reconnue sur ses produits, ses programmes et les interactions au sein de sa chaîne de valeur. Cependant, elle doit faire face à des défis croissants pour acquérir une meilleure maîtrise de ses cycles de conception et de développement, une meilleure efficacité de ses activités d'ingénierie et pour assurer une amélioration continue des performances de ses produits et de ses systèmes de soutien. En même temps, elle doit intégrer le plus rapidement possible les innovations technologiques et profiter des opportunités offertes par les nouvelles technologies de l'information. Ces défis conduisent inévitablement à un besoin de transformation radicale des méthodes d'ingénierie au sein de l'industrie aéronautique française et c'est dans ce contexte que se situe le projet ONEWAY.
Le projet a débuté en mai 2021 pour une période de 18 mois et un budget de 48 millions d'euros. Il a réuni 14 partenaires : Airbus, Dassault Aviation, Liebherr Aerospace, Safran Electrical & Power, Safran Aerotechnics, Thales, Altran Technologies, Cap Gemini, Sopra Steria, CIMPA, PragmaDEV, IMT Mines Ales, Université de Rennes 1, et l'ENSTA Bretagne.
L’ENSTA Bretagne a participé à la définition d’une capacité numérique d’aide à la décision de lancement, puis de contrôle et pilotage d’un Plan de Développement Produit (PDP). Le PDP cherche à prédire et maîtriser l’arrivée sur le marché à la date, à la maturité du produit et de son système industriel mais aussi de la phase de montée en cadence de production prévue. Cela est devenu vital pour la compétitivité de l’industrie aéronautique française.
L’expérience de l’équipe P4S à l’ENSTA Bretagne sur les problématiques de fédération de systèmes logiciels complexes, le développement de sémantique formelle et d’algorithmes d’analyse ont permis le développement d’un cadre de modélisation PDP outillé. L’outil développé permet une fine capture des spécificités métier, la simulation à échelle industrielle du processus de développement, et la validation des modèles construits à travers des preuves formelles.
Pour l’ENSTA Bretagne, les deux implications principales dans le projet ONEWAY portent sur la validation et la vérification formelle du PDP. Ces travaux ont permis :
- L’extension du model checker OBP2 avec des algorithmes d’exploration statistique permettant le test massif sur des modèles issue de l’industrie ;
- L’amélioration de la couche d’expression des propriétés formelles associées aux exigences système ou « Top Program Objectives » ;
- L’invention d’une stratégie modulaire de vérification formelle de systèmes temporisé qui repose sur la sémantique formelle du PDP sans nécessité de procédures coûteuses de transformation de modèles.
- projet de recherche "Cyber-security modelling and analysis framework" : Vers un cadre unificateur pour la spécification, formalisation et l’analyse d’architectures matérielles et logicielles sécurisées
- débuté en décembre 2020
- financé par l'AID (Agence d'innovation de la Défense)
- piloté par Raul Mazo Pena, enseignant chercheur ENSTA Bretagne / laboratoire Lab-STICC (pôle SHARP, équipe P4S)
- + d'informations : lire l'article sur ce programme
L’approche « Security by Design » n'en est qu'à ses débuts et seuls de grands efforts de recherche et de développement permettront son utilisation systématique et générale. C’est l’objectif de ce projet novateur, qui s’apparente à la création d’une toute nouvelle discipline d’ingénierie, en proposant une nouvelle vision. Pour relever ce défi, le projet entreprend de créer une théorie globale, unificatrice, avec des méthodes, techniques et outils de conception systématiques.
- Projet financé par la région Bretagne et le FEDER
- débuté fin 2019 et clos en 2022
- 3 partenaires : KEREVAL, Mobility Tech Green et ENSTA Bretagne
- pilote : Joël Champeau, enseignant chercheur ENSTA Bretagne, laboratoire UMR Lab-STICC (pôle SHARP, équipe P4S)
Le projet vise à développer les produits et services intégrés aux véhicules connectés, ainsi que les services
externes associés.
Ces services embarqués aux véhicules auront suivi un processus de développement sécurisé.
ENSTA Bretagne intervient en développant une méthodologie de conception et un outillage de tests de cyber-sécurité spécialement orientés « véhicules connectés».
Cette méthodologie doit couvrir du niveau système, intégrant les exigences de sécurité, aux modules de communication du calculateur embarqué.
Les résultats attendus du projet sont le développement de nouveaux services de mobilité comme la gestion de flotte, le développement d’un CyberLab pour assurer les tests de sécurité des services et un support méthodologique reposant sur une vérification formelle des exigences de sécurité.
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Pôle Software, Hardware, ARchitectures & Processes (SHARP)
AXES DE RECHERCHE
Les systèmes embarqués sont des ensembles de systèmes électroniques (matériels) et logiciels communicants de plus en plus complexes, qui requièrent de nouvelles méthodes de conception.
En raison des nouvelles applications comme de l’IoT (objets connectés), des systèmes autonomes ou plus généralement des applications qui requièrent des moyens de calcul et de stockage importants (e.g. intelligence artificielle, big data), la frontière entre les systèmes embarqués et leur environnement s’est estompée, impliquant de l’incertitude et de la complexité.
Les systèmes embarqués font partie d’un tout, d’un système d’information réparti, large et diffus. Ce tout forme un système de systèmes qui interagit avec son environnement et dont la complexité ne cesse de croître.
• Ils combinent des systèmes ou applications hétérogènes.
• Ils sont plongés dans un environnement de plus en plus incertain.
• Ils doivent néanmoins respecter des exigences fonctionnelles et non fonctionnelles (e.g. empreinte énergétique, sécurité, sûreté, comportement temporel).
Assurer ces exigences constitue un défi difficile auquel s’attache le pôle SHARP : étudier les modèles, méthodes et outils d’aide à la conception centrés « architecture » pour ces nouveaux systèmes embarqués et leur environnement.
Le terme architecture s’entend ici au sens large :
• architecture matérielle sur les couches les plus basses
• architecture du système complet dans lequel le système embarqué étudié est enfoui
• architecture logicielle, avec des contraintes fortes sur la prise en compte des besoins applicatifs et des interactions logiciel/matériel.
3 équipes de recherche qui interagissent
• ARCAD : Architectures matérielles et outils de CAO
• SHAKER : Interactions logiciel, matériel et environnement
• P4S : Processes for Safe and Secure Software and Systems
APPLICATIONS
Toutes les applications civiles et militaires comprenant des systèmes informatiques et électroniques devant être sécurisés et fiables :
• Logiciels applicatifs
• Applications web
• Intelligence embarquée
• Objets connectés…
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Pôle Traitement, Transmission d'Info, algorithme et Intégration (T2I3)
Le pôle souhaite contribuer activement au développement de systèmes de communication performants, autonomes, reconfigurables et intelligents.
Les chercheurs d’ENSTA Bretagne contribuent principalement en « Sécurité, Intelligence et Intégrité de l’Information » (équipe SI3).
AXES DE RECHERCHE « Sécurité, Intelligence et Intégrité de l’Information »
L’équipe conçoit et développe des méthodes, algorithmes et solutions pour la sécurisation de la couche physique des communications et systèmes de transmission futurs.
Ses contributions servent également à mettre à l’épreuve les standards et systèmes déployés ou en réaliser le « reverse engineering » à destination de nos partenaires institutionnels de la défense ou des instances nationales de régulation.
Dans ce domaine, tout peut être considéré comme un défi, car la plupart des traitements en réception se font généralement en aveugle et/ou avec des contraintes opérationnelles très sévères en termes de furtivité, seuil du niveau de bruit ou interférences propres ou extérieures, consommation énergétique, occupation spectrale, sécurité, etc.
Ces thèmes de recherche sont à la frontière entre le traitement du signal, les mathématiques, la théorie de l’information « classique » et quantique, et nécessitent également la prise en compte de critères et contraintes fortes liés aux aspects opérationnels, confidentiels, sécuritaires et matériels des applications.
APPLICATIONS
- Communications tactiques des domaines défense, spatial, surveillance du spectre radio, radio intelligente ou Cognitive Radio, sécurisation des sites sensibles et des systèmes critiques,
- Drones, l’Internet des Objets (IoT), usine du futur (Smart factory), radars embarqués et voitures autonomes.
- Applications de méthodes avancées de traitement de signal, de techniques de télécommunications sans fil et d’intelligence artificielle dans le domaine biomédical.
COLLABORATIONS
- Institutions : DGA, ANFR , CHU Brest, Hôpital Militaire Brest …
- Académiques : Ecole Navale, GIPSA, UBO, Université de Paul Sabatier Toulouse 3, AUCE (Beyrouth-Liban), SNCS (Tabuk – KSA),ISEN, AAMST (Cairo - Egypt)…
COMPETENCES
• système de communication
• traitement et protection de l’information,
• codage et décodage de l’information,
• adéquation algorithme-architecture,
• sécurité de la couche physique,
• intelligence artificielle.
L’objectif de l’étude est de modéliser, simuler et optimiser les canaux physiques de communication (de l’émetteur au récepteur) de drones aériens, en tenant compte des contextes opérationnels.
Cette étude est en fait le second volet d’un vaste programme de recherche commandé par la DGA, qui vise l’optimisation de la qualité des communications entre un drone aérien et son opérateur basé à terre, ou entre plusieurs drones et leur opérateur. Pour cela, les outils de calcul des missions et de pilotage des drones devront tenir compte des contextes opérationnels, en particulier les éléments naturels comme le relief ou la végétation dense qui limitent la propagation des ondes.
La 1e étude avait permis de modéliser ce coefficient de perte de communication. Cette nouvelle étude a plusieurs objectifs complémentaires.
Tout d’abord trouver les meilleures routes, celles qui permettent de conserver un coefficient de communication le plus élevé possible. Pour cela les chercheurs développent des techniques d’optimisation efficaces intégrant les modèles de propagation des ondes radar (théories mathématiques d’optimisation).
Autres paramètres pris en compte, la gestion du vol et l’orientation du drone. Elles impactent également les communications radiofréquences et sont prises en compte dans les modèles à l’aide d’algorithmes d’IA (apprentissage par renforcement).
Enfin, des méthodes de calcul des missions pourront faire intervenir deux ou plusieurs drones afin d’assurer cette optimisation des communications. Les chercheurs étudient alors dans quelle mesure les algorithmes développés sont capables de faire face à une grande montée de la complexité combinatoire inhérente au contexte multi-drones.
- sujet de thèse : "Vers des Stratégies Efficaces de Collecte de Données et de Prise de Décision pour les Réseaux de Capteurs à Ressources Limitées"
- soutenue en décembre 2021
- mots clés : Réseaux des Capteurs, Efficacité Energétique, Prise de Décision, Réduction des Données, Corrélation Spatio-Temporelle, Stratégies de Planification.
Le haut potentiel des capteurs est tempéré par deux freins technologiques majeurs : les ressources limitées de leurs batteries et la difficulté de collecte de données volumineuses en temps réel. Cette thèse vise à proposer plusieurs mécanismes de collecte et d'analyse de données pour surmonter ces défis, en se basant sur l’architecture en réseaux de capteurs (clustering).
Les résultats obtenus en expérimentations ont montré l'efficacité de ces mécanismes en termes de consommation d'énergie, de précision des données et de zone de couverture, et améliorent les performances des réseaux de capteurs.
Les mécanismes proposés fonctionnent à trois niveaux de réseau. Ils visent à réduire la quantité de données disséminées dans le réseau tout en préservant l'intégrité des informations.
- Au niveau du capteur, nous proposons des méthodes de prédiction, d'agrégation et de compression de données basées respectivement sur des algorithmes de Newton Forward Difference, de divide-and-conquer et d'élimination de similarité dans le but de réduire les données brutes collectées par chaque capteur.
- Au niveau du « Cluster Head » (chef de groupe du réseau de capteurs), nous proposons de nouvelles techniques de clustering, de fusion, d'agrégation intermédiaire et d'ordonnancement qui visent à rechercher la corrélation entre les noeuds voisins puis à éliminer les redondances de données existantes avant d'envoyer les données vers le puits.
- Au niveau du « Sink » (nœud/passerelle du réseau de capteurs), nous introduisons des modèles de prise de décision efficaces basés sur un tableau de score qui permet aux utilisateurs finaux d'analyser les données et de prendre une décision convenable.
Ces programmes sont conduits avec l’hôpital des armées et le CHRU de Brest.
- Acquisition et traitement des électrocardiogrammes d’un foetus et de sa mère à l’aide de capteurs sans fil.
- Caractérisation et classification de thrombose veineuse profonde (caillot sanguin).
- Utilisation des signaux EEG (électroencéphalographie) et EMG (électromyogramme) pour contrôler une chaise roulante par une personne paraplégique.
- Utilisation des signaux EOG (électro-oculographie) pour actionner et surfer sur une page web par une personne paralysée : réaliser un capteur ECG sans fil et un simulateur pour la faculté de médecine.
En estimant les caractéristiques du canal de transmission pour mieux transmettre et protéger l'information.
• Théorie des jeux pour développer des protocoles pour une radio cognitive tactique.
• Smart Antenna & Beamforming (Formation de voies) : l'antenne doit s'adapter automatiquement à son environnement.
• Internet des objets et problèmes de réseaux sans fil liés à la coexistence des communications machine-to-machine (M2M) et human-to-human (H2H).
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Pôle Systèmes Photoniques & Hyperfréquences (SyPH)
AXES DE RECHERCHE de l’équipe « Propagation et Interaction Multi-échelle »
Les travaux de recherche conduits à l’ENSTA Bretagne par cette équipe du laboratoire Lab-STICC visent principalement la représentation et la compréhension des phénomènes résultant de l'interaction des ondes électromagnétiques avec l'environnement.
L’équipe cherche à intégrer davantage des concepts novateurs et d’intelligence artificielle dans les systèmes d’acquisition et d’exploitation des observations issues de systèmes radar (aéroportés ou satellites) ou de géolocalisation de type GPS.
3 thèmes de recherche complémentaires :
- Modélisation et simulation électromagnétique multi-échelle et multi-physique – en champs proche et lointain : outils, méthodes asymptotiques, méthodes exactes, méthodes empiriques, méthodes hybrides, ... (MOSEM).
- Modélisation et caractérisation du canal de propagation - méthodes physiques et statistiques, ... (MOCAP).
- Systèmes et plateformes / modélisation et simulation - systèmes expérimentaux et virtuels (MOSSYP).
Moyens expérimentaux :
- Chambre anéchoïque (2 à 18 GHz)
- Radar opérationnel fonctionnant dans la bande X
- Radar expérimental fonctionnant dans la bande Ku
- Plusieurs plates-formes de simulation (serveurs hautes performances)
- Logiciels spécialisés: HFFS, FEKO, ADS, CST-MWS, MicroStripes, Winprop, IE3D, SolidWorks, OrCAD ...
APPLICATIONS
- Observation du globe, terre et mer, par satellite (Télédétection)
- Veille environnementale
- Détection automatique d’anomalies, pollutions en mer
- Défense : radar, guerre électronique, détection/reconnaissance et poursuite de cibles
- Surveillance : sécurité et sûreté maritime
- Véhicules autonomes (aéronefs, drones, …), géolocalisation et navigation…
COLLABORATIONS
- Entreprises : Thales, SAFRAN Electronics & defense, Diades Marine, Naval Group, CESTIM, Syrlinks
- Institutions : DGA, IFREMER
- Académiques : CNAM Paris, ENSM, IMT Atlantique, UBO, Ecole navale, RMA
Compétences
• Modélisation électromagnétique (EM) multi-échelle et multiphysique
• Propagation et interaction des ondes EM
• Systèmes d'observation actifs ou passifs (Radar, GE, …),
• Traitement du signal et image radar,
• Télédétection micro-ondes.
• Milieux aléatoires
• Modèles stochastiques
• Technologies quantiques.
Ces algorithmes utilisent des mesures sans seuil, dans des scénarii où les approches conventionnelles échouent, du fait de faibles rapports signal / bruit (SNR) ou d’environnements contraints.
Un algorithme original a été développé en partenariat avec Diades Marine, dans le cadre du projet ADEME e-PANEMA (e-Positionning et Aide à la Navigation en Environnement Maritime) et il a eu le prix IEEE Antennas
and Propagation Society, 2019.
Il a été développé en utilisant des filtres à particules pour la détection et le suivi des cibles ; ses performances ont été évaluées à l'aide de données radar réelles.
DOREDO est un système de détection et localisation d’obstacles et objets, embarquable sur drone de moyenne endurance, prévenant de toute route de collision potentielle avec d'autres aéronefs (de type avions légers, hélicoptères, drones de loisirs …).
Le système permet un vol sécurisé, de caractéristiques comparables aux avions de ligne actuels? grâce au levé de verrous technologiques comme la miniaturisation et la robustesse face au fouillis sol ou ciel.
>> DOREDO est une première brique vers le vol de drones de moyenne endurance en espace non ségrégué.
Financement : DGA. Partenaires : CESTIM, CNAM Paris
Techniques d'apprentissages profonds évolutifs pour la détection et la reconnaissance de cibles à partir de données hétérogènes.
Financement : DGA, AID, I2R
Caractérisation des interactions entre l'atmosphère et la surface de la mer pour le déploiement de l'éolien offshore dans le Golf du Lion.
OBJECTIF : Soutenir le déploiement de l’éolien offshore dans les zones côtières méditerranéennes françaises en fournissant une base de données d’observations à haute résolution des champs de vents, de vagues et de courants ainsi qu’un un nouvel outil numérique pour la modélisation des conditions météo-océaniques sur la zone du Golfe du Lion.
Calendrier : 2020-2023
Financement : France Energies Marines
15 partenaires nationaux et internationaux
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Pôle Données, modèles, infos, décisions (DMID)
AXES DE RECHERCHE
Les chercheurs développent des approches guidées par les modèles mathématiques et statistiques pour étudier et représenter les phénomènes naturels, systèmes dynamiques ou systèmes sociotechniques qui génèrent les données.
- Les informations sont extraites en utilisant des algorithmes de data mining ou d'apprentissage automatique.
- Ces informations peuvent représenter en elles-mêmes une réponse au problème posé, ou servir de point d'entrée à un décideur pour prendre des décisions éclairées ou optimales.
- Pour guider le décideur, on utilisera des techniques de recherche opérationnelle ou d'aide à la décision.
- Ces décisions peuvent alors à nouveau influencer les phénomènes sous-jacents, fermant ainsi la boucle.
APPLICATIONS
- Connaissance de l’environnement marin
- Veille environnementale
- Conduite et sécurité des activités humaines en mer
- Fonctionnement des robots et grands systèmes industriels
- Comportement humain...
Organisé en 2 équipes de recherche
- Modèles et algorithmes pour le traitement et l'extraction de l'information (MATRIX)
- Aide à la décision et découverte de l'information (DECIDE)
ENSTA Bretagne contribue principalement à l'équipe Matrix et dans une moindre mesure à Decide.
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Equipe Observations Signal & Environnement (OSE)
Axes de recherche pour la protection de l'environnement marin
Pour répondre aux défis environnementaux et accompagner les acteurs (ONG, décideurs politiques, société civile, secteur privé) dans leurs actions pour limiter l’impact des activités humaines sur l’environnement marin, des efforts considérables sont consentis depuis plusieurs décennies pour accroître l’observation de l’environnement marin. Ainsi, au niveau mondial, plus de 90% des données environnementales ont été générées au cours des trois dernières années (signaux, images et séries temporelles).
Dans ce contexte, les techniques d’intelligence artificielle (IA), en particulier les sciences de la donnée (« data science ») et l’apprentissage automatique (ou « machine learning ») ont un rôle majeur à jouer pour l’analyse et l’exploitation des données utiles aux actions de protection de l’environnement marin.
L’équipe de recherche « OSE » se positionne sur ces recherches méthodologiques en traitement du signal et IA appliquées à l’environnement marin, en mettant l’accent sur la télédétection multimodale :
- télédétection océanique (images satellitaires),
- monitoring de l’environnement marin (images aériennes, données GNSS, ARGOS, AIS, etc.)
- et monitoring sous-marin (acoustique passive, images vidéo sous-marines).
Une des préoccupations de l’équipe concerne l’amélioration de la performance des algorithmes d’IA par la prise en compte approfondie de la nature des phénomènes dont on cherche à extraire de l’information.
Trois aspects de l’interface entre IA et monitoring de l’environnement marin sont adressés IA & physique, IA & robustesse et IA & problèmes inverses. Ce dernier par exemple concerne l’utilisation des stratégies d’IA, à partir de grands jeux de données, pour la résolution de problèmes inverses environnementaux (interpolation de données, reconnaissance de cibles, inversion de signaux géophysiques, réduction d'information, etc.).
Exemples d'applications
- Dynamiques géophysiques à la surface de l'océan : par apprentissage de solvers et modèles variationnels pour l'assimilation de données.
- Reconnaissance d'espèces de poissons dans des images vidéo sous-marines.
- Projet CETIROISE de suivi des mammifères marins
Collaborations
- Entreprises : Thales, NavalGroup, CLS, Eodyn, Actimar, Hytech-imaging.
- Institutions : CNES, DGA, IFREMER, IUEM, INRIA, Météo France, Mercator Ocean, IRISPACE, EUR ISblue, SHOM, FEM.
- Académiques : GIPSA, Marbec, Sorbonne Univ, UCLA (Computational and Applied Mathematics group), Univ. of Washington (Applied Phys. Lab., Applied Math. Dept), Australian Antarctic Division, Barcelona Supercomputer Center, NERSC, Univ. of Dalhousie (Institute of Big Data Analytics), IMEDEA (Espagne), Univ. Laval (Canada), ETH Zurich, Univ. Buenos Aires (CIMA, Argentine).
- et GDR ISIS (CNRS)
OSmOSE, un dispositif collaboratif d’analyse des données
Pour l’analyse des enregistrements sous-marins, les chercheurs s’appuient aussi sur les outils de traitement de données développés en open source par le groupe de recherche OSmOSE (Open Science meets the Ocean Sound Explorers. Projet subventionné par l’OFB). Lancé par ENSTA Bretagne en 2018, son objectif est de standardiser et partager les méthodes et résultats de leur communauté de recherche afin de faciliter la collaboration entre équipes de recherche dans le domaine de l’acoustique sous-marine.
Pour l’instant, le projet a permis le développement d’une plateforme de stockage et de traitement des données ainsi qu’une application web utilisée pour l’annotation des sons.« L’étape d’annotation est essentielle pour l’apprentissage des sons par l’algorithme et leur reconnaissance automatique par la suite », explique Dorian Cazau enseignant-chercheur et coordinateur du groupe. Les deux outils sont hébergés à l’Ifremer.
Pour annoter un son, et donc le caractériser dans l’algorithme, celui-ci doit d’abord être reconnu. Pour cela, il est isolé des autres sons et représenté visuellement sous forme de spectrogramme (représentation 2D de l’intensité d’un son en fonction de la fréquence et du temps). L’analyse des spectrogrammes mobilise les sciences participatives en mettant à contribution des amateurs. «L’analyse des écarts entre les résultats des amateurs et ceux des experts nous permet de caractériser la difficulté de nos tâches d’annotation et ainsi d’adapter le développement de nos outils en fonction.»
En effet, le groupe souhaite proposer à terme des outils facilement utilisables et pouvant servir à la formation, entre autres, d’agents du Parc naturel marin d’Iroise et de l’OFB.
Ainsi, OSmOSE favorisera une meilleure interaction entre les besoins des praticiens de l'écologie et les progrès de la recherche.
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Equipe Robotique d'exploration (ROBEX)
Objectifs et applications : concevoir des robots intelligents et autonomes pour l’exploration de l’environnement, en particulier marin
La robotique mobile s'est largement développée, le plus souvent dans des milieux structurés et déjà cartographiés. Dans les autres situations, d’environnements inconnus et non-structurés, comme les planètes lointaines, les volcans, des grottes profondes, des zones irradiées, des veines d'eaux souterraines, les bâtiments en feu, les fonds marins, la robotique change de nature.
Elle devient indispensable car l'humain peut difficilement intervenir de façon sécurisée et doit se passer le plus souvent de télé-opération. Les robots doivent alors posséder un maximum d'autonomie et d'intelligence afin de pouvoir accomplir une mission. On parle de robotique exploratoire car le robot doit cartographier son environnement, prendre des décisions, se localiser et être capable de revenir.
Axes de recherche : créer les outils méthodologiques de la robotique autonome d'exploration
L’équipe ROBEX cherche à développer les outils méthodologiques afin de concevoir des algorithmes intelligents permettant à des robots d'accomplir une mission d'exploration de façon autonome. Sous certaines hypothèses sur l'environnement et la dynamique du robot, l’équipe cherche à garantir certaines propriétés comme
- l'évitement d'une zone interdite,
- le respect de contraintes sur l'état du système,
- l'intégrité de la localisation
- et la capacité à revenir au point de départ.
L’équipe s’attache à prendre en compte avec rigueur tout type d'incertitude, à obtenir des solutions théoriquement élégantes, et à réaliser des validations expérimentales convaincantes.
Outils méthodologiques
L'accent est mis sur :
• les outils ensemblistes,
• l'interprétation abstraite,
• la commande non-linéaire des robots et le filtrage bayésien.
Collaborations
- Entreprises : Kopadia, Thales, Forssea, RT-sys, iXblue, ECA-robotics, Subsea-Tech, Orange-Labs, Pilgrim, Texys Marine, Oxxius.
- Institutions : DGA, DRASSM, Ifremer, EDF, Région Bretagne, Shom.
- Laboratoires. LIRMM, IRISA, Polytechnique, LS2N.
- GDR : GDR Macs et GDR robotique.
Concevoir des robots dérivants capables de faire de très longues distances dans l'océan en utilisant les courants marins comme moyen de propulsion.
La thèse de Thomas Le Mezo, soutenue en 2019 et prix de thèse DGA 2021, a permis la mise au point des premiers prototypes dans ce domaine.
+ d'infos :
Le sujet de la thèse de Joris TILLET (bourse DGA et région Bretagne), soutenue en 2021, portait sur "la localisation et le contrôle sûrs d’un capteur tracté"
# Mots clés : localisation sous-marine, contrôle non linéaire, analyse par intervalles, logique floue, estimation d’ensemble floue, capteur tracté.
Cette thèse contribue aux avancées technologiques de l’archéo-robotique marine, particulièrement à la recherche d’épaves. Elle a bénéficié des recherches conduites par le DRASSM pour retrouver La Cordelière qui a coulé en rade de Brest en 1512 et dont la batterie de canons est encore enfouie, quelque part, sous les sédiments.
Le système robotique proposé consiste à tracter un magnétomètre susceptible de détecter les matériaux ferromagnétiques de l’épave. Le capteur ne peut pas être directement embarqué car il est sensible aux perturbations du robot. C’est pourquoi il est déporté via un câble et tiré par le drone.
Deux problématiques sont alors étudiées.
- La première est liée au contrôle de la position du magnétomètre alors que l’on ne peut agir que sur le robot tractant. Une méthode de linéarisation par bouclage est alors utilisée pour construire un contrôleur. Ce contrôleur est ensuite validé sous certaines contraintes d’état en utilisant des outils d’analyse par intervalles.
- La seconde problématique concerne la localisation sous l’eau de manière fiable. Sont alors étudiés des moyens d’appréhender les incertitudes et les données aberrantes collectées par un capteur acoustique.
L’analyse par intervalles permet d’obtenir des premiers résultats, et la logique floue vient compléter l’approche en donnant plus de souplesse dans la priorisation des contraintes. Finalement, des expérimentations sont présentées avec différents robots, et notamment la localisation d’un ROV dans une piscine.
Sujet de la thèse d'Auguste BOURGEOIS (Cifre Forssea Robotics) soutenue en 2021 : "Amarrage collaboratif automatique et sécurisé d’un robot sur une plateforme mobile"
# Mots-clés : docking sous-marin, stabilité des systèmes dynamiques, systèmes hybrides, programmation par contraintes, intégration garantie
La multiplication des installations offshore suscite un besoin de robots autonomes fiables, capables d’effectuer des missions d’inspection et de maintenance tout en minimisant les coûts opérationnels. Pour réduire le risque d’accident pendant une mission, des outils mathématiques peuvent être utilisés pour démontrer a priori son bon déroulement. Dans cette thèse, des nouvelles méthodes reposant sur une approche ensembliste sont présentées à cet effet.
- Premièrement, nous proposons une nouvelle méthode pour analyser la stabilité d’un système incertain discret, continue ou hybride.
- Ensuite, nous présentons une approche s’inspirant de l’analyse d’atteignabilité, pour laquelle nous avons développé un nouvel outil de programmation par contraintes permettant d’implémenter des contraintes différentielles.
- Ces deux approches permettent de prédire le comportement d’un robot avant même son déploiement.
- Ces outils sont illustrés par des exemples réalistes issus des domaines de la localisation et du contrôle, appliqués au problème d’amarrage sous-marin. De plus, nous présentons la librairie CAPD dans un contexte robotique grâce à des exemples pratiques.
Concevoir et réaliser un robot sous-marin capable d'explorer son environnement seul, sans refaire surface pour capter le GPS, avec un sonar comme unique capteur extéroceptif.
Réaliser un suivi d'isobathes sous-marin dans un but d'explorer et revenir, avec un simple écho-sondeur.
Réaliser la capture d'un robot par plusieurs robots dans un environnement incertain et non structuré.
Pr. Luc Jaulin, enseignant chercheur ENSTA Bretagne / Lab-STICC en robotique d'exploration :
Nous cherchons à représenter et à propager les incertitudes de la façon la plus rigoureuse possible sans faire d'approximations non maîtrisées, comme celles induites par la linéarisation ou la discrétisation. Les variables incertaines peuvent être la carte de l'environnement, les données capteur, la trajectoire des robots, les prises de décision passées ou futures, la dynamique des robots et les interventions humaines. La modélisation de ces différents types d'incertitudes demande une réflexion et l'élaboration d'outils capables de répondre à nos objectifs.
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Pôle IA & Océan
AXES DE RECHERCHE
L’objectif scientifique du pôle IA & Océan prend en compte l’océan comme un système complexe où interagissent la physique de l'océan, l'activité biologique et écologique, avec les activités humaines (trafic maritime, aménagement du littoral, ressources marines, veille environnementale etc.)
Le pôle IA & Océan se structure en trois domaines de recherche spécifiques auxquels contribuent les trois équipes de recherche du pôle :
- IA & perception de l’environnement marin (équipes ROBEX, OSE, M3),
- IA & robotique exploratoire (équipe ROBEX)
- IA & données océaniques et marines (équipes M3, OSE).
APPLICATIONS
- Connaissance de l’environnement marin
- Veille environnementale
- Conduite et sécurité des activités humaines en mer
- Aménagements maritimes et littoraux
Organisé en 3 équipes de recherche
ENSTA Bretagne contribue aux 3 équipes :
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Marine Mapping & Metrology (M3)
Axes de recherche pour la connaissance de l'environnement marin
La multiplication d’une information riche, précise et hétérogène sur l’environnement marin s’accompagne d’une recherche d’amélioration de l’exploitation de ces innombrables données issues de systèmes d’observation variés (sous-marins, marins et spatiaux). Seule une exploitation judicieuse et conjointe de ces méta-données peut permettre une description fidèle de l’environnement.
A cette fin, l'équipe balaie différentes composantes de l'analyse des données marines :
- la conception du système d’observation par l’assemblage de briques capteur,
- la prise en compte de la réalité physique de ce système et de ses mesures,
- la qualification, l’analyse, l’interprétation et la représentation des données acquises.
Exemples d'applications
- Optimiser les levés hydrographiques : par des méthodes d'apprentissage automatique des masses de données bathymétriques
- Observer et décrire l'atmosphère en modélisant la propagation des signaux GNSS dans l'atmosphère en environnement marin
- Caractérisation de la qualité des estimations de la hauteur colonne d'eau à partir de données multispectrales
Compétences mises en œuvre pour l'analyse des données marines
- acoustique marine
- acoustique passive
- traitement de données marines
- imagerie marine
- machine learning
- data science
- big data
- systèmes de capteurs
Collaborations
Quelques exemples de partenaires avec lesquels sont conduites ces recherches.
- Entreprises : Hytech Imaging, Naval Group, Thales, ECA-robotics, CIDCO, iXblue
- Institutions : DGA, Shom, IGN, Ifremer
- Monde académique : Université Laval, Woods Hole Oceanographic Institution, Centre de Géomatique du Québec
Les zones littorales sensibles aux changements climatiques, les traits de côtes qui évoluent, la surveillance des zones inondables, requièrent des mesures régulières et des systèmes de mesure et d'imagerie adaptés. C'est la vocation du projet de recherche CALHYB auquel contribue ENSTA Bretagne par son expertise en imagerie sous-marine, systèmes de capteurs et drones.
L'INNOVATION ? UN DUO INÉDIT DE CAPTEURS, EMBARQUÉS SUR UN DRONE AÉRIEN, POUR UNE IMAGERIE HD
Le programme scientifique "MAP-IO" vise à créer un observatoire du climat embarqué à bord d'un navire océanographique français (le Marion Dufresne) pour des études ciblant les océans Austral et Indien.
La contribution de l'école ? Elle porte sur la mise au point du système de mesure en continu de l'humidité atmosphérique, à l'aide de méthodes d'analyse des signaux GNSS.
L'équipe se sert justement des phénomènes de perturbation de la propagation des signaux GNSS liés à la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère pour en déduire la mesure de l'humidité de l'air.
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Thèses de l'IRDL / ENSTA Bretagne
THÈSES EN COURS
- (débutée en 2023) Impact de la réduction des coûts environnementaux et énergétiques des conditions thermiques de chauffe post-cataphorèse sur le comportement des assemblages collés/calés d'une caisse en blanc par Lambert LEDUC (CIFRE Stellantis)
- (débutée en 2022) Contribution au dimensionnement et au flambement des équipements sous pression par des méthodes simplifiées par Gwladys BELONE (Contrat doctoral)
- (débutée en 2022) Analyse et suivi de l'endommagement au sein de liaisons structurales collées des futurs, par Imad BERIAH (financement AID)
- Rupture des interfaces fibre/élastomère sous chargement complexe par Pierre-Yves CORBEL (bourses région Bretagne et ENSTA Bretagne).
- Optimisation de la texturation de surface par Jet d'Eau Abrasif : application au collage de matériaux aéronautiques par Pierre FREQUELIN (CIFRE Bayab en collaboration avec l'ICA).
- Caractérisation expérimentale et modélisation numérique du procédé de fraisage par enlèvement de copeaux par Claudiu MALEA (en co-tutelle avec l'Université de Pitesti - Roumanie).
- Optimisation, caractérisation et modélisation d'assemblages hybrides composites thermoplastiques métal par Thomas FKYERAT (bourses région Bretagne et Brest métropole).
- Prise en compte de l’influence de différents procédés de collage structural sur la méthode de dimensionnement d’assemblages collés par Amen BENALI (Cifre ECM-BE).
- Maîtrise de la dilatation différentielle à l’échelle de la structure d’une caisse en blanc de type multi-matériaux assemblée par collage structural par Leandro MAURICIO DA SILVA (Cifre PSA).
- Durabilité de collages en forte épaisseur au moyen d'adhésifs à fort allongement. Aspects mécaniques et physico-chimiques par Paulo GUIMARES (région nouvelle Aquitaine, avec Nobatek INEF4)
- Usure et tenue mécanique des chaînes d'ancrage en milieu marin par Yannick ARGOUARC'H (ENSTA Bretagne).
Thèses soutenues depuis 2020
- Modélisation simplifiée d'assemblages collés pour la caractérisation mécanique d'adhésifs et des interfaces colle-substrat et l'analyse de leur vieillissement par Andreea Gabriela TINTATU (contrat DGA, Thales), juillet 23
- Propagation de fissures d’assemblages collés sous chargements monotones et cycliques pour différentes mixités de modes par Cyril BERNOLIN (financement : Safran composites, région Bretagne), déc 2022.
- Durabilité de connecteurs collés soumis à des sollicitations de fluage pour des applications sur sous-marins par Marthe LOISEAU (financement : DGA, Coldpad ; avec IFSTTAR), nov 2022.
- Comportement mécanique et rupture de l’interface adhésif/substrat d’assemblages collés vieillis en eau : caractérisation expérimentale et simulation numérique par Johnatan LEPLAT (ANR France Energies Marines)
- On the durability of structural adhesive bonds in thermal environments : application to space-oriented optical systems par Vincent DUMONT (CIFRE Safran Reosc). Cette thèse s’applique à l’ELT (Extremely Large Telescope), un téléscope géant inédit qui prendra place au nord du Chili, à 3060 m d’altitude.
THÈSES EN COURS
- (débutée en 2023) Modélisation micromécanique des sables, par Said DERBANE (Gouvernement Algérien)
- (débutée en 2022) Modélisation de la réponse de structures marines soumises à des impacts de vagues et évaluation des risques de défaillance associés, par Franki TAUSSE KAMDOUM (région Bretagne). #hydrodynamique_navale
- (débutée en 2022) Conception et validation d’un outil de dimensionnement de barrières diphasiques pour l’atténuation des ondes de choc aériennes, par Aymeric Reinders (AID)
- (débutée en 2022) Etude de la pollution ambiante sur la génération d'endommagement par choc laser, par Mathieu LAFARIE (CEA)
- (débutée en 2022) Optimisation du fonctionnement d'un détonateur optique : expériences et simulations, par Julie MORAND (CEA CESTA). #détonique
- (débutée en 2022) Etude et modélisation d'impacts hypervéloces sur des matériaux et structures de satellites, par Baptiste REYNIER (CEA CESTA). #impacts
- (débutée en 2022) Contribution au dimensionnement au flambement des équipements sous pression par des méthodes simplifiées, par Gwladys BELONE
- Développement et modélisations de structures fonctionnelles basées sur l'implémentation des mousses syntactiques piezorésistives. Application à la surveillance des structures sous choc par Antoine POIROT (Estaca)
Thèses soutenues depuis 2020 :
- Impacts hydrodynamiques obliques sur mer formée par Mathieu GORON (ONERA, Ifremer), 2024.
- Chargements hydrodynamiques induits par les impacts de vagues sur les éoliennes flottantes par Florian HULIN (FEM "DIMPACT"), 2024.
- Prise en compte des non linéarités dans l'estimation de la résistance ajoutée sur houle, par Leila SALOMON (bourse DGA), 2023.
- Modélisation des couplages multiphysiques lors d’un cycle balistique intérieur dans des munitions de nouvelles générations par Marion BRATEAU (CIFRE CTAI), 2023.
- Mecanical behavour of carbone epoxy hybrid composite under shock par Maria CASAPU (cotutelle UPB, Campus France), 2023.
- Contribution à l'étude d'endommagement et du comportement mécanique des matériaux renforcés par des fibres végétales, par Zouheyr BELOUDA, 2022.
- Modélisation expérimentale et numérique du power take off d un bassin houlomoteur par Vincent PODEUR (Thèse CIFRE GEPS Techno), juin 2022.
- Prévision par simulation numérique du retour élastique, des déformations plastiques et contraintes résiduelles en hydroformage haute-énergie par Jérémie TARTIERE (thèse Cifre Airbus), janvier 2022.
- Mise en place d’une méthodologie pour la caractérisation de la robustesse des générateurs de gaz pour airbags dans le domaine de la transition ductile-fragile par Camille CAISSO (CIFRE Livbag), novembre 2021
- Durabilité des matériaux composites pour un système holomoteur - Projet PIWEK, par Hamza BENYAHIA (Contrat Doctoral), novembre 2021.
- Etude numérique et expérimentale des panneaux sandwich par Boubekeur M. Bilel MERTANI, avril 2021.
- Études numériques et expérimentales des impacts hydrodynamiques primaires et secondaires lors du tossage de sections de carènes par Yann Richard (DGA, Brest Métropole)
- Etude et modélisation d'impacts basses et haute vitesse sur des matériaux et structures de satellites par Vincent Jaulin (CIFRE CEA)
- Single crystal and polycrystalline niobium and OFE copper for SRF cavities applications : mechanical characterization at low to high strain rates and microstructural investigations par Jean-François Croteau (Bourse européenne Québec)
- Mise en place d'une méthodologie pour la prédiction des effets des explosions sur infrastructures du génie civil par Pierre LEGRAND (Cifre NECS)
- Développement d'un système de capteurs sensible et robuste pour surveiller la déformation des structures composites en temps réel par Yumna QURESHI (avec HEC, Campus France)
- Modélisation du comportement élastoplastique cyclique multiaxial par une approche multisurface dans l’espace des déformations par Corado NINGRE (avec Univ. Alpes Grenoble).
THÈSES EN COURS
- (débutée en 2024) Mesure et reconstruction de champs mécaniques dans les composants de fortes épaisseurs par Kévin FAUCON (Programme ASTRID)
- (débutée en 2023) Comportement et tenue en fatigue de nouveaux composants d’ancrage synthétiques pour plateformes éoliennes flottantes par Abdesslam NOUAL (Contrat Vellela).
- (débutée en 2023) Caractérisation de la rupture d’interfaces collées titane/composite sous chargement dynamique et multiaxial par Tom SAUVARD (ARED Safran).
- (débutée en 2023) Réparation des structures marines par patch composites thermoplastiques par Mathilde CONAN (AID).
- (débutée en 2023) Panneaux textiles gonflables pour applications marines de réduction de nuisance sonore : caractérisation mécanique et dimensionnement (CIFRE GREENOV) par Jeanne CAVOIT
- (débutée en 2023) XXX par Fabien PORHIEL
- (débutée en 2023) Etude et modélisation du scénario d'apparition de la microplasticité à partir de simulations éléments finis sur agrégats polycristallins par André CALAZANS
- (débutée en 2022) XXX par Erwan VASSEUR (CIFRE Filish).
- (débutée en 2022) Caractérisation rapide des propriétés en fatigue d'un composite stratifié sous sollicitations hors plan et de compression à partir d'essais d'auto-échauffement, par Otavio ZIMMERMANN
- (débutée en 2022) Modélisation de la tenue à la fatigue polycyclique des structures obtenus par le procédé de fabrication additive arc-fil: prise en compte de l'influence de l'état de surface brute ou parachevée à partir de mesures thermométriques, par Mathilde RENAULT
- (débutée en 2022) Loi de vieillissement en lien avec fiabilité et durée de vie des élastomères, par Oscar PETA (CETIM)
- (débutée en 2022) Investigation thermomécanique du renforcement sous sollicitations cycliques et en fatigue pour des pièces antivibratoires automobiles en caoutchouc naturel, par Anthony LE BIHAN (CIFRE Vibracoustic)
- (débutée en 2022) Dimensionnement en fatigue de pièces antivibratoires automobiles en polyuréthane micro-cellulaire, par Justin BECKER (CIFRE SAFRAN Composites)
- Étude et modélisation des propriétés en fatigue à très grand nombre de cycles et à haute température des alliages base nickel pour turboréacteurs à partir d'essais d'auto-échauffement sous sollicitations cycliques par Alexis MION (CIFRE Safran Aircraft Engines, avec Pprime/ENSMA, chaire ANR Self-Heating)
- Influence d'un endommagement initial sur les propriétés à la fatigue des matériaux composites stratifiés UD : apport des mesures d'auto-échauffement pour évaluer la durée de vie résiduelle par Kilian DEMILLY (CIFRE Naval Group)
- Etude de l'influence de l'intégrité de surface et d'un revêtement sur les propriétés en fatigue à grand nombre de cycles de l'acier 300M à partir d'essais d'auto-échauffement sous sollicitations cycliques par Pierrick LEPITRE (CIFRE Safran Landing System)
- Simulative estimation of the heat build-up measurements throughout a thermo-mechanically coupled finite element (FE) analysis including nonlinear dissipative material model par Alexander RICKER (Co-tutelle)
- Etude et modélisation des propriétés en fatigue à très grand nombre de cycles et à hautes températures à partir d'essais d'auto échauffement sous sollicitations cycliques par Théo SEVEDE (ANR chaire industrielle SELF-HEATING)
- Caractérisation et modélisation de la tenue à la fatigue et à la corrosion d’aciers duplex obtenus par fabrication additive SLM et LMD par Sébastien BALLESIO (AID)
- Contraintes résiduelles et fatigue des composites - Application au nautisme de compétition par Antoine LE PALABE (bourse région, UBS).
Thèses soutenues depuis 2020 :
- Surveillance des lignes d’ancrage en polyamide pour éoliennes offshore par Laure CIVIER (bourse France Energies Marines, avec IFREMER), novembre 2023.
- Fatigue de composites thermoplastique à fibres courtes pour applications aéronautiques sous sollicitations complexes de compression par Vanessa KWIATKOWSKI (CIFRE Safran Landing Systems, chaire « self-heating »), juillet 2023
- Spectres de chargement pour le dimensionnement mécanique d’un véhicule automobile par Enora BELLEC (CIFRE Groupe PSA, OpenLab "Computational Mechanics"), juin 2023
- Durée de vie en fatigue à grand nombre de cycles des arbres de transmission pour applications navales par Corentin GUELLEC (CIFRE Naval Group), avril 2023
- Plasticité cyclique multiaxiale en zone confinée : approche théorique et expérimentale par Ewann GAUTIER (contrat AMERICO), avril 2023
- Etude de l'influence des paramètres du procédé d'injection-cuisson sur le comportement mécanique de pièces moulées par injection en élastomère via une analyse physico-chimique du réseau, par Marjorie LE GAL (avec l'université de Nantes), mars 2022.
- Modélisation du comportement mécanique sous chargement d'une butée d'amortisseur en mousse de polyuréthane : vers une démarche de dimensionnement en fatigue par Jean-Baptiste LE BAIL (CIFRE Vibracoustic), février 2022.
- Multiaxial fatigue design of elastomeric parts using Equivalent Fatigue Loads par Iona WARNEBOLDT (CIFRE Vibracoustic), janvier 2022.
- Apports de l'imagerie qualitative infrarouge pour la caractérisation thermomécanique et le dimensionnement en fatigue de composites tissés 3D par Libor Navratil (CIFRE SAFRAN)
- Étude des propriétés en fatigue polycyclique des matériaux et des structures obtenus par le procédé de fabrication additive arc-fil par Lorenzo Bercelli (EA FRAPAN)
- Study of high cycle fatigue of metastable austenitic stainless steel at room and low temperatures via self-heating measurements par Amni Benhaz (ARED/ENIB)
- Détermination de la durée de vie en fatigue LCF des instruments endodontiques en alliage à mémoire de forme par Yoann Congard (CIFRE MICRO MEGA)
- Compréhension et modélisation des mécanismes de contact des câbles en Polyéthylène Ultra Haute Densité pour applications navales par Cédric BAIN (CIFRE Inorope) :
- De l'apport des mesures de champs de température sous sollicitations cycliques pour la caractérisation et la modélisation des propriétés en fatigue des assemblages soudés par Loïc CARTERON (CIFRE Naval Group)
- Caractérisation du comportement mécanique à long terme et durabilité de câbles d'ancrage en polyamide pour éoliennes flottantes par Yoan CHEVILLOTE (avec France Energies Marines et Ifremer)
- Investigation thermomécanique pour le dimensionnement en fatigue des pièces thermoplastiques renforcées de fibres de verre courtes pour applications automobiles par Prashant SANTHARAM (CIFRE Vibracoustic)
- Détermination rapide des propriétés en fatigue à grand nombre de;cycles à partir d'essais d'auto-échauffement sous sollicitations cycliques : application aux alliages métalliques pour des turboréacteurs aéronautiques par Vincent ROUE (CIFRE Safran Aircraft Engines)