Multi-agents architecture for the self-steering of race sailing boats and algebraically generalized Petri nets
Architecture multi-agents pour le pilotage automatique des voiliers de compétition et Extensions algébriques des réseaux de Petri
Résumé
The first part of this thesis approaches the question of the self-steering of race sailing boats by using virtual reality and simulation which avoids constraining and risky expensive real tests. We propose a multi-agents architecture and its Petri nets modelisation. The second part of this thesis presents and studies several algebraically generalized Petri nets in order to cover some features of discrete event systems not shared by usual place/transition nets. A state of art presents various approaches of the problem of the self-steering of sailboats and underlines its complex nature. Nevertheless a sailor does the task well and we ground our multi-agents system on a fine valuation of its practice. In this way we identify and characterize the main elements of the art of helm. Then we present a multi-agents architecture in which the command part is based on three autonomous, asynchronous and concurrent agents and we model it with synchronous Petri nets. The system is implemented with ARéVi a library for the simulation of autonomous entities and 3D rendering. The experimentation shows that the virtual helmsman supplies a good security level and reacts to the requests of its environment like a human competitor. In terms of performance, the results are less interesting because the model of ship is relatively far from a real race sailing boat. In the second part of this thesis we propose several algebraically extensions of Petri nets. We firstly choose to use a group in place of the monoid N with a specific firing rule. These nets, named group-nets, containing themselves several subclasses and we study their links with various classes of usual Petri nets. In particular strict-Z-nets extend pure Petri nets and Z-nets extend Petri nets. Tools are given to resolve the decidability problems of boundedness and place-boundedness for strict-Z-nets and Z-nets. With these new nets the notion of resource disappears and the characterization of algebras for which one can mimic the token game of Petri nets leads to a strict extension called lexicographic nets. However the notion of resource remains strange because one can consume strictly and indefinitely ! We show that lexicographic nets are Turing powerful whereas bounded lexicographic nets are exactly bounded Petri nets. Finally we give algorithms solving in polynomial time the synthesis problem for Z/2Z-nets from marked graphs and for lexicographic nets from regular languages.
Cette thèse s'attaque dans une première partie au problème du pilotage automatique des voiliers de compétition en s'appuyant sur la réalité virtuelle qui, via la simulation, permet de s'affranchir de tests en situation réelle généralement coûteux, contraignants et risqués. Une architecture multi-agents est proposée ainsi que sa modélisation en termes de réseaux de Petri. Une deuxième partie est consacrée à la présentation et à l'étude de plusieurs extensions algébriques de ces réseaux dans le but initial de prendre en charge certaines caractéristiques des systèmes à évènements discrets non couvertes par les réseaux places/transitions usuels. Un état de l'art présente différentes approches du problème du pilotage des voiliers et souligne son caractère complexe. Partant du constat que malgré tout, l'homme parvient généralement à faire face à la plupart des situations rencontrées en mer, nous proposons d'asseoir notre système sur une expertise très fine de la pratique du barreur de compétition. Cette dernière permet d'identifier et de caractériser les éléments importants liés à la technique de barre. Nous proposons ensuite une architecture multi-agents dont la partie commande est basée sur trois agents autonomes, asynchrones et concurrents ainsi que sa modélisation par réseaux de Petri synchronisés. Le système est implémenté sous ARéVi, moteur de simulation d'objets actifs et de rendu 3D développé au CERV. L'expérimentation montre que le barreur virtuel ainsi créé assure un niveau de sécurité intéressant pour un coureur au large en réagissant aux sollicitations de son voilier d'une manière proche de celle d'un homme. Le gain en performance semble plus limité du fait, en particulier, des faiblesses du modèle de bateau implémenté mais pourrait s'avérer intéressant sur un voilier réel. Dans la deuxième partie de cette thèse nous proposons différentes extensions algébriques des réseaux de Petri. Nous choisissons tout d'abord d'utiliser un groupe à la place de l'algèbre des places usuelle des réseaux de Petri et d'en priver l'accès à l'élément neutre pour interdire certaines transitions. Ces réseaux, appelés strict-group-nets, étendent en particulier les réseaux de Petri purs si on choisit pour groupe l'ensemble des entiers relatifs. L'adjonction d'arcs dits inconditionnels conduit aux group-nets et permet d'englober également les réseaux impurs. Nous montrons que les problèmes de savoir si les Z-nets et les strict-Z-nets sont bornés et si une place de ces réseaux est bornée sont décidables via la définition d'un arbre proche de celle d'un arbre de couverture. La notion de ressource disparaissant dans ces nouveaux réseaux, plutôt que de choisir une algèbre a priori nous cherchons à caractériser les algèbres permettant de singer le comportement des réseaux de Petri usuels. Cette démarche conduit aux réseaux lexicographiques pour lesquels la notion de ressource reste étrange car on peut consommer indéfiniment strictement. Nous montrons que les réseaux lexicographiques ont la puissance des machines de Turing et que les réseaux lexicographiques bornés sont les réseaux de Petri bornés. Nous démontrons enfin que le problème de la synthèse trouve une réponse polynomiale pour les Z/2Z-nets ainsi que pour les réseaux lexicographiques en termes de meilleure approximation d'un langage régulier donné.
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