Soutenance de thèse - 21/11-2014 MINES Paristech

1. 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

2. 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
2

3. Introduction
Contexte de la thèse
Etat de l’art
Problématique de recherche
Naufrage du Rena à Astrolabe (NZ) (5/10/2011)

4. 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)
4

5. 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
5

6. 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
6

7. 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
7

8. 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
8

9. 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
9

10. 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)

11. 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
11

12. Analyse géovisuelle et MDA
(Davenport & Risley, 2006)
>> Positionnement >> Rôles de la visualisation >> Analyse et compréhension du mouvement
12

13. >> 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
13

14. 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
14

15. 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
15

16. 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)

17. 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)
17

18. 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
18

19. 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
19

20. 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)
20

21. Modélisation d’un EAAG
>> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
21

22. 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
22

23. 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
23

24. Modélisation d’un EAAG
>> Méthodologie et système général >> Modèles proposés >> Règles de raisonnement
Exemple de modélisation de visualisation
•Représentation vitesse
•Représentation arrêts
24

25. 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
25

26. 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
26

27. 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
27

28. Démonstration
Prototypage
Utilisation de l’EAAG
Collision entre le tanker Eagle Otome et la péniche Dixie Vengeance à Port Arthur, Texas (23/01/2010)

29. 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
29

30. 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
–…
30

31. Preuve de concept et Démonstration
>> Prototypage >> Utilisation de l’EAAG
Formalisation de la situation étudiée
•Buts d’utilisation : associés à différents risques et tâches
31

32. 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
32

33. 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 noeuds
B : trajectoire rectiligne
HeadingGraph
TrajectoryMap
SpeedMap
SpeedGraph
B : vitesse rapide
A&B : approche en cours
TrajectoryMap
CPA
Manoeuvres
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 »
33

34. Conclusion

35. 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
35

36. 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)
Source : cenisis.com
Source : serrewet.com
36

37. 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