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Soutenance de thèse - 21/11-2014 MINES Paristech
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CRC Centre de recherche sur les Risques et les Crises
Formalisation d’un Environnement d’Aide à l’Analyse Géovisuelle
Application à la Sécurité et Sûreté de la Maritimisation de l’Energie
Gabriel Vatin Sous la direction d’Aldo Napoli
Soutenance de thèse - 21 Novembre 2014
Plan
1 Introduction
Contexte de la thèse Etat de l’art Problématique de recherche
2 Analyse géovisuelle et Maritime Domain Awareness
Positionnement de notre recherche Rôles de la visualisation Analyse et compréhension du mouvement
3 Modélisation d’un environnement d’aide à la GeoVA
Méthodologie et système général Modèles proposés Règles de raisonnement
4 Démonstration
Prototypage Utilisation de l’EAAG
5 Conclusion
Bilan Perspectives
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Introduction Contexte de la thèse
Etat de l’art
Problématique de recherche
Naufrage du Rena à Astrolabe (NZ) (5/10/2011)
Introduction >> Contexte de la thèse >> Etat de l’art >> Problématique de recherche
« Espace de rigueur et de liberté »
Economie Energie
• 90% du commerce mondial • 90% du pétrole et gaz en Europe • 1/3 production mondiale de pétrole
Sécurité • Accidents, catastrophes naturelles • Protection des passagers • Pollution
Sûreté • Attaques pirates • 439 en 2011, 72 en 2014 • 10 Md €/an
Sécurité et Sûreté de la Maritimisation de l’Energie (Napoli, 2014)
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Introduction >> Contexte de la thèse >> Etat de l’art >> Problématique de recherche
Où est le risque ?...
Peu ou pas d’outils d’analyse supportés (Glandrup, 2013)
Affichage d’information ≠ Découverte de connaissances (MacEachren & Brewer, 2004 ; Cai, 2005)
Trafic dense, données mobiles > Surcharge cognitive (Davenport & Risley, 2006)
Nécessité de mettre en place des outils d’analyse du mouvement
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Introduction >> Contexte de la thèse >> Etat de l’art >> Problématique de recherche
Approche complémentaire par l’analyse visuelle
Sous-estimation du
rôle de la carte
Mise en retrait du rôle de
l’être humain
Effet boite noire par une
détection automatisée
Pistes de recherche
• Modéliser des règles de comportements
• Découvrir les comportements (a-)normaux
• Simuler les comportements à risques
• Reconnaissance automatisée ou supervisée des menaces
Approche privilégiée :
> Automatiser la détection
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Introduction >> Contexte de la thèse >> Etat de l’art >> Problématique de recherche
Visualiser : espace, temps et sémantique
• Flux et clusters (Demsar & Virrantaus, 2010 ; Andrienko & Andrienko, 2011)
• Densité de trajectoires, zones sensibles (Willems, 2011)
• Carte de Kohonen, modèles gaussiens (Riveiro, 2011 ; Guo et al., 2011)
(Linköping University) Pas ou peu de documentation sur
l’utilisation/usage de ces méthodes
Nombreuses possibilités
pour explorer l’information géographique
Trois dimensions à prendre en
compte
Recherche très active et
productive
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Introduction >> Contexte de la thèse >> Etat de l’art >> Problématique de recherche
L’humain doit garder le contrôle : surveillance et détection
• Davenport & Risley, 2006
• Morel et al., 2010
• Riveiro & Falkman, 2011…
La géovisualisation comme outil reconnu d’exploration et d’analyse des mouvements
• Kraak, 2006
• Willems, 2011
• Andrienko & Andrienko, 2013
Postulats de recherche
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Introduction >> Contexte de la thèse >> Etat de l’art >> Problématique de recherche
Hypothèses de recherche
• Assister l’opérateur dans l’utilisation de solutions géovisuelle permet d’améliorer l’analyse des situations à risques
• Une représentation formelle du contexte d’utilisation et des solutions d’analyse géovisuelle permet de guider dans l’utilisation de ces méthodes
Objectifs de la thèse
Proposer une méthodologie d’aide à la GeoVA pour l’analyse de comportements à risques
Etudier l’usage de méthodes GeoVA pour l’analyse de mouvements
Modéliser les environnements GeoVA et leurs utilisations
Concevoir un environnement d’aide à l’analyse géovisuelle (EAAG)
Approche centrée sur le processus d’analyse des données de mouvements
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Analyse géovisuelle et Maritime Domain Awareness Positionnement de notre recherche
Rôles de la visualisation
Analyse et compréhension du mouvement
Trajectoires, vitesses et arrêts de navires autour du port de Toulon (29/03/2013)
Contextual Control Model et milieu maritime
Décideurs
Evènements Retours
Concepts Actions
Système contrôlé Trafic maritime
Acteurs SSME
- surveillance - analyse
>> Positionnement >> Rôles de la visualisation >> Analyse et compréhension du mouvement
Mise à jour
Analyse géovisuelle et MDA
COCOM (Hollnagel & Woods,2005)
• Boucle de contrôle
• Différents rôles
• « Systèmes cognitifs joints » homme + technologie (Woods et al. 1990)
Notre recherche
Aide à l’analyse d’évènements dans un système à risques
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Analyse géovisuelle et MDA
(Davenport & Risley, 2006)
>> Positionnement >> Rôles de la visualisation >> Analyse et compréhension du mouvement
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>> Positionnement >> Rôles de la visualisation >> Analyse et compréhension du mouvement
GeoVA focuses on visual interfaces to analytical methods
that support reasoning with and about geo-information
to enable insights about something for which place matters. (MacEachren, 2012)
Exploration
• Recherche de sens dans les données
Analyse
• Recherche basée sur une hypothèse
– Validation de résultats automatisés
Conclusions de Geoviz Hamburg (mars 2013)
• Aide à la décision (Andrienko et al., 2007; Ahola et al., 2007; Wilkening & Fabrikant, 2011…)
• Caractérisation du « normal », détection d’anomalies (Davenport & Risley, 2006; Roy, 2008; 2011; Riveiro, 2011…)
• Extraction de motifs dans des données d’objets mobiles (Demsar et al., 2010; Willems, 2011; Guo et al., 2011; Enguehard et al., 2013…)
Analyse géovisuelle et MDA
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Analyse géovisuelle et MDA >> Positionnement >> Rôles de la visualisation >> Analyse et compréhension du mouvement
Trajectoire
• Courbe décrite par un objet en mouvement
Mouvement
• Déplacement d'un corps, changement de position dans l'espace
Comportement
• Action, réaction, fonctionnement et évolution spatio-temporelle dans certaines situations d’un objet
(Peuquet, 1994 ; Etienne, 2011 ; Idiri, 2013 ; Vandecasteele et al., 2014)
Géométrie
Sémantique
Temporalité
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Analyse géovisuelle et MDA
Processus d’analyse de données de mouvements (d’après Andrienko & Andrienko, 2013)
>> Positionnement >> Rôles de la visualisation >> Analyse et compréhension du mouvement
Visualisation trajectoires
• Trajectoires
• Clusters et agrégation
Exploration trajectoires
• Attributs
• Evènements
• Motifs reconnus
Vue d’ensemble mouvement
• Généralisation
• Agrégation, flux
• Densité
Analyse mouvements & Contexte
• Proximité, approche
• Contexte géographique, météorologique
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Modélisation d’un environnement d’aide à la GeoVA Méthodologie et système général
Modèles proposés
Règles de raisonnement
Visualisation 3D de la carte de Minard (source : blog Kenneth Field, 2013)
Modélisation d’un EAAG
Environnement d’aide à l’analyse géovisuelle (EAAG) Geovisual Analytics Support Environment
• Assister et guider lors de l’analyse de données géographiques
– Application à l’analyse de mouvements
– Cas d’étude dans le domaine maritime
• Proposer des méthodes de visualisation qui soient utiles dans le processus de raisonnement visuel
• S’adapter au contexte d’utilisation
• Inclure un catalogue méthodes de visualisation
• Accès rapide aux solutions choisies
Utilisation
• Surveillance temps réel
• Analyse a posteriori
>> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
Environnement d’aide à la résolution de problèmes (PSE)
(Gallopoulos et al., 1992, 1994 ; Jung et al., 2013)
Système d’aide à la décision (DSS)
(Sprague, 1980 ; Jackson, 1999 ; Power, 2002 ; Andrienko & Andrienko, 2007)
Système expert / à base de connaissances (KBS)
(Smith, 1985 ; Jackson, 1999)
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Modélisation d’un EAAG
Méthodologie proposée
• Evaluation de méthodes de visualisation
– Technologies web : 3 tiers, SOLAP, etc.
– Solutions bureautiques : SIG, softs, etc.
• Sélection de méthodes de visualisation
– Espace, temps, sémantique
– Solutions utilisées de manière opérationnelle
– Solutions publiées par la recherche GIScience
• Choix du formalisme pour la modélisation
– Partage + interprétation machine
• Développement de modèles données et visualisation
>> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
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Ontologies Règles
Raisonneur
Modélisation d’un EAAG >> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
Environnement d’aide à l’analyse géovisuelle (Vatin & Napoli, 2013 - 2014)
Profil utilisateur Tâches
Cas d’utilisation Solutions
Données
Interface requête / sélection
Méthodes GeoVA
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Modélisation d’un EAAG
Définition des ontologies
An ontology is a formal explicit specification
of a shared conceptualization. (Gruber, 1993)
• Formalisation des connaissances
– Concepts (classes)
– Relations d’inclusion (is-a)
– Relations sémantiques
– Individus
– Propriétés données / objets
• Spécification des règles
– SWRL (Semantic Web Rule Language)
– Règles logiques de la forme if then
– Appliquées par un raisonneur sémantique
>> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
Si X est-un Bateau() Et X se-propulse-par Moteur ()
Alors X est-un Bateau_a_moteur()
Bateau(?X), se-propulse-par(?X, Moteur)
-> Bateau_a_moteur(?X)
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Modélisation d’un EAAG >> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
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Modélisation d’un EAAG
Modèle de visualisation
• Reference Model pattern : modèle général pour la visualisation
• Modèles séparés : données + vues + contrôles (Card & Macklinlay, 1999)
• Data State Reference Model (Chi, 1998 ; 2000)
>> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
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Modélisation d’un EAAG >> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
Multi-dimensions Temps
Espace Espace / temps Contexte
Modèle de visualisation
• 31 méthodes de visualisation formalisées dans l’ontologie
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Modélisation d’un EAAG >> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
Exemple de modélisation de visualisation
• Représentation vitesse
• Représentation arrêts
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Modélisation d’un EAAG
Modèle du contexte
• Profil de l’utilisateur modélisé selon l’utilisation de la GeoVA
• Buts d’utilisations liés à une succession de tâches
• Buts associés à différents risques
>> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
Situation
User
Goal
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Modélisation d’un EAAG
Modèle du contexte
• Profil de l’utilisateur modélisé selon l’utilisation de la GeoVA
• Buts d’utilisations liés à une succession de tâches
• Buts associés à différents risques
>> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
Situation
User
Goal Utilisateur
• Environnement de travail : mobilité, temporalité
• Education : statistiques, abstraction
• Expérience : facilité de reconnaissance, nombre de données
• Compétences technologiques : abstraction, dimensions de la visualisation
• Profession : identifiant pour étude postérieure
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Modélisation d’un EAAG
Règles SWRL pour l’étude de la situation
>> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
Situation • Récupérer les tâches d’analyse à mener
VisualSpace : évaluation • Evaluer les visualisations selon la temporalité des données
• Evaluer les visualisations selon les tâches
VisualSpace : sélection 1 • Sélection : rechercher les visualisations adaptées (théorie)
• Restriction : supprimer les méthodes non adaptées à un paramètre
User : sélection 2 • Restriction : supprimer les méthodes non adaptées au profil
Situation • Ajouter les méthodes sélectionnées
• Ajouter les environnements sélectionnés
isAdapted_param booléan
isAdapted booléan
S_hasVisSpace VisualSpace
S_hasTask Task
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Démonstration Prototypage
Utilisation de l’EAAG
Collision entre le tanker Eagle Otome et la péniche Dixie Vengeance à Port Arthur, Texas (23/01/2010)
Démonstration >> Prototypage >> Utilisation de l’EAAG
Interface d’utilisation ontologie
• Technologie Java (OWL API)
• Utilisable / téléchargeable depuis un navigateur
• Copie / lecture / écriture de l’ontologie en local par l’application
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Preuve de concept et Démonstration >> Prototypage >> Utilisation de l’EAAG
Situation potentiellement à risque
• Un navire sans AIS (B) s’approche d’un tanker (A)
• Pas de réponse radio
• Plusieurs scénarios
– Attaque pirate ? (1)
– Dérive + secours ? (2)
– Collision non anticipée ? (3)
– Trajectoires parallèles sans menace (4)
Detect the expected and discover the unexpected
• Validation / confirmation de scénario(s) choisi(s)
• Analyse de la dynamique
– Formes trajectoires
– Vitesse au cours du déplacement
– Changements de caps
– …
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Preuve de concept et Démonstration >> Prototypage >> Utilisation de l’EAAG
Formalisation de la situation étudiée
• Buts d’utilisation : associés à différents risques et tâches
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Preuve de concept et Démonstration >> Prototypage >> Utilisation de l’EAAG
Formalisation de la situation étudiée
• Buts d’utilisation : associés à différents risques et tâches
• Situation : choix du but ou tâche, utilisateur, temporalité, données disponibles
• Utilisateur : environnement de travail, rôle et caractéristiques
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Preuve de concept et Démonstration >> Prototypage >> Utilisation de l’EAAG
Phases Evènements Méthodes proposées
Approche
A : trajectoire
rectiligne
HeadingGraph
TrajectoryMap
SpeedMap
SpeedGraph A : vitesse 10 nœuds
B : trajectoire
rectiligne HeadingGraph
TrajectoryMap
SpeedMap
SpeedGraph B : vitesse rapide
A&B : approche en
cours
TrajectoryMap
CPA
Manœuvres
A&B : trajectoire
zigzag
HeadingGraph
TrajectoryMap
A devance B SpeedGraph
TrajectoryMap
B : vitesse similaire à
A
SpeedGraph
SpeedMap
Abordage
A&B : vitesses quasi-
nulles
SpeedGraph
StopMap
A&B : accolés TrajectoryMap
Contexte : Mer calme WaveForceMap
DensityMap Zone peu fréquentée
Tanker (rouge)
Inconnu (gris)
Scénario « attaque pirate »
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Conclusion
Bilan
• Définition du concept d’environnement d’aide à l’analyse géovisuelle
• Nécessité de l’approche formelle : partage et intégration aux SI
• Complémentarité détection automatique / analyse géovisuelle
• Vers des systèmes de surveillance « résilients » ?
Nouvelles méthodes Validation d’hypothèses Découverte de connaissances Basé sur l’expérience humaine
> Repousse les limites de la détection actuelle
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Perspectives
Modélisation et environnement d’aide à l’analyse géovisuelle
• Approche et développement “centrés utilisateur”
– Amélioration du profil utilisateur
– User Centered Design (ISO 9241-210:2010)
• Séquences dans la stratégie d’analyse visuelle
– Prise en compte de l’ordre des tâches d’analyse
– Apprentissage du système (Jackson, 1999)
Nouvelles pistes de recherche
• Impact de la qualité de représentation
– Design (couleurs, etc) [normes S-52 OHI]
– Qualité des données (ISO 19157:2013)
– Impact sur les analyses menées et les décisions
– Données manquantes (Davenport et Risley, 2006)
Sou
rce
: cen
isis
.co
m
Sou
rce
: ser
rew
et.c
om
36
Merci de votre attention!
Gabriel Vatin
MINES ParisTech – PSL Research University
Centre de recherche sur les Risques et les Crises Sophia Antipolis, France
gabriel.vatin@mines-paristech.fr
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