Brevet FR3090881A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Procédé de calibration d'un capteur de gaz Domaine technique [0001] Le domaine technique de l'invention est la calibration d'un capteur de gaz destiné à réaliser des mesures de gaz dans l'environnement, et en particulier en environnement urbain ou périurbain. Technique antérieure [0002] L'obtention de cartographies décrivant la distribution spatiale de concentrations en molécules ou en particules nocives est un besoin répondant à une attente de la population et des autorités, en particulier dans des zones géographiques sensibles, telles des zones urbaines ou plus généralement dans des zones susceptibles d'être affectées par la pollution atmosphérique. Dc nombreux modèles ont été développés, permettant d'établir des cartographies de pollution atmosphérique et de prévoir leurs évolutions temporelles. Ces modèles sont alimentés par des capteurs répartis dans les zones géographiques examinées. [0003] A partir de données relatives aux sources démissions de polluants, et en considérant des paramètres liés aux conditions topographiques ou météorologiques, les modèles permettent d'établir la distribution spatiale de concentrations de molécules ou de particules polluantes dans l'environnement, ce dernier faisant l'objet d'un maillage spatial. [0004] Des agences régionales ou nationales exploitent des stations de mesure réparties sur le territoire, dites stations de référence, qui permettent d'obtenir des mesures régulières de la concentration de polluants atmosphériques. Ces derniers sont par exemple NO2, 0,, CO, ou encore des particules fines, par exemple des particules de diamètre inférieur ou égal à 10 prn (PM 10) ou des particules de diamètre inférieur à 2.5 min (PM 2.5). Les mesures réalisées par certaines agences sont ouvertes, c'est-à-dire aisément accessibles au public. Au niveau européen, il est par exemple possible d'obtenir les concentrations de ces polluants sur le site internet de l'agence européenne de l'environnement. En France, des agences régionales gèrent des stations de mesure, ce qui permet d'obtenir des cartographies de polluants ainsi que des prévisions. Les stations de mesures sont des dispositifs fiables, mais onéreux et encombrants. De ce fait, il est difficile d'envisager leur déploiement selon un maillage spatial fin. Leur nombre se limite à quelques unités par agglomération, voire 10 à 20 pour les agglomérations les plus importantes. [0005] Or, pour obtenir une cartographie plus précise, et tenant compte de particularités locales, par exemple un trafic localement encombré, il est préférable de déployer un 2 grand nombre de capteurs de mesures, ces derniers étant espacés de quelques centaines de mètres seulement. Cela permet d'obtenir des cartographies plus réactives à la survenue de singularités locales, influant sur les concentrations de polluants. Le document W02018178561 décrit par exemple un procédé de réalisation d'une cartographie dans l'environnement à partir de capteurs répartis selon un maillage dense. Compte tenu du nombre de capteurs utilisés, ces derniers ont une conception plus simple, et un coût moindre que les stations de mesures précédemment décrites. En contrepartie, il faut veiller à ce que les données mesurées soient fiables, de façon à obtenir des cartographies les plus exactes possibles. [0006] Une façon de vérifier l'exactitude des mesures délivrées par des capteurs est de les exposer à des concentrations connues de gaz. Mais ce type de calibration est difficilement réalisable sur le terrain, et impose donc que les capteurs testés soient déplacés dans un laboratoire, puis exposés à un gaz étalon, avant d'être déployés à nouveau sur le terrain. On conçoit que ce type de calibration n'est pas envisageable lorsque le nombre de capteurs dépasse plusieurs dizaines, ou plusieurs centaines d'unités. [0007] L'invention adresse ce problème, en proposant un procédé simple pour vérifier la qualité des données mesurées par les capteurs et, si besoin, procéder à leur calibration, tout en maintenant les capteurs déployés sur le terrain, et sans manipulation de ces derniers. Exposé de l'invention [0008] Un premier objet de l'invention est un procédé de calibration d'un capteur dc gaz, le capteur dc gaz appartenant à un réseau de capteurs répartis en différentes positions dans une zone géographique, le capteur de gaz étant destiné à mesurer une concentration d'un analyte dans l'air, la zone géographique comportant au moins une station de référence, distante du capteur de gaz, la station de référence étant destinée à mesurer une concentration d'analyte dans fair, le procédé comportant les étapes suivantes : [0009] a. association d'au moins une station de référence au capteur dc gaz; [0010] b. durant une plage temporelle de calibration, mesure d'une concentration d'analyte par le capteur de gaz et prise en compte d'une concentration d'analyte mesurée par chaque station de référence associée au capteur de gaz ; [0011] c. à partir de la mesure de la concentration d'analyte mesurée par chaque station de référence lors de la plage temporelle de calibration, estimation d'une concentration d'analyte à la position du capteur de gaz; [0012] d. comparaison entre la concentration d'analyte estimée lors de l'étape c) et la concentration d'analyte mesurée par le capteur de gaz lors de l'étape b) ; [0013] e. en fonction de la comparaison effectuée lors de l'étape d), calibration du capteur de 3 gaz. [0014] La concentration peut être exprimée, par exemple, en quantité par unité de volume, ou en niasse par unité de volume. [0015] Selon un mode de réalisation, le procédé comporte, préalablement aux étapes a) à c), une étape d'apprentissage de façon à : [0016] sélectionner une station de référence ou plusieurs stations de référence, parmi une pluralité de stations de référence, de telle sorte que durant la plage temporelle de calibration, la concentration d'analyte mesurée par chaque station de référence sélectionnée est corrélée à la concentration d'analyte à la position du capteur de gaz:; déterminer un estimateur de la concentration d'analyte à la position du capteur de gaz à partir de la concentration d'analyte mesurée par chaque station de référence sélectionnée ; [0017] de telle sorte que: [0018] lors de l'étape a), chaque station de référence sélectionnée lors de l'étape d'apprentissage est associée au capteur de gaz ; lors de l'étape c), l'estimation de la concentration d'analyte à la position du capteur de gaz est effectuée en appliquant l'estimateur déterminé lors de l'étape d'apprentissage. [0019] La plage temporelle de calibration peut être déterminée lors de l'étape d'apprentissage. L'étape d'apprentissage peut mettre en oeuvre un réseau de neurones, de façon à sélectionner au moins une station de référence et établir l'estimateur et éventuellement la plage temporelle de calibration. [0020] Selon un mode de réalisation préféré: [0021] - l'analyte est émis dans la zone géographique selon une concentration variable au cours d'une période temporelle prédéterminée, par exemple une journée, la concentration d'analyte émise variant entre un minimum et un maximum au cours de chaque période temporelle prédéterminée, par exemple au cours de chaque journée ; la plage temporelle de calibration est déterminée de façon à correspondre à une émission minimale de l'analyte dans la zone géographique considérée, durant chaque période temporelle considérée, par exemple durant chaque journée. [0022] L'analyte peut être émis par des moyens de transport ou de chauffage ; la plage temporelle de calibration est alors comprise entre minuit et 6 hem-es du matin, et de préférence entre 3 heures du matin et 6 hem-es du matin. [0023] Un autre objet de l'invention est un dispositif d'estimation d'une concentration d'un analyte dans une zone géographique, le dispositif comportant : 100241 - plusieurs capteurs de gaz répartis dans la zone géographique, en différentes positions, chaque capteur de gaz étant configuré pour mesurer une concentration d'analyte à différents instants de mesure, une unité de traitement, recevant les mesures d'au moins un capteur de gaz ; [0025] le dispositif étant caractérisé en ce que l'unité de traitement est configurée pour mettre en oeuvre un procédé selon le premier objet de l'invention, en utilisant au moins une station de mesure de référence située dans la zone géographique. [0026] D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés sur les figures listées ci-dessous. [0027] Les expressions mentionnées entre des crochets correspondent à des balises sé- mantiques imposées par l'institut national de la propriété industrielle. Elles ne sauraient être prises en compte pour interpréter le contenu de la demande. Brève description des dessins [0028] [fig.1] La figure 1 schématise une implantation de capteurs élémentaires de gaz formant un réseau de capteurs couvrant une zone géographique d'intérêt, dans laquelle se trouvent également des stations de référence. [0029] [fig.2A] La figure 2A illustre la variabilité diurne des concentrations d'un polluant en fonction de la position géographique des capteurs de gaz. [0030] [fig.213] La figure 2B illustre la variabilité nocturne des concentrations d'un polluant en fonction de la position géographique des capteurs de gaz. [0031] [fig.3A] La figure 3A montre un profil journalier moyen, durant une durée de 7 mois, de différences de concentrations horaires entre deux stations de référence. [0032] [fig.313] La figure 3B montre un profil journalier moyen, durant une durée de 7 mois, de différences de concentrations horaires entre deux stations de référence. [0033] [fig.3C] La figure 3C montre un profil journalier moyen, durant une durée de 7 mois, de différences de concentrations horaires entre deux stations de référence. [0034] [fig.3D] La figure 3D montre un profil journalier moyen, durant une durée de 7 mois, de différences de concentrations horaires entre deux stations de référence. [0035] [fig.4A] La figure 4A représente les principales étapes d'un procédé de calibration selon l'invention. [0036] [fig.4B] La figure 4B montre un exemple d'architecture d'un estimateur de type réseau de neurones. [0037] [fig.5] La figure 5 montre l'effet d'une calibration d'un capteur de gaz selon l'invention. EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS [0038] On a représenté, sur la figure 1, une zone géographique dans laquelle on souhaite dé- terminer une cartographie d'une concentration d'un analyte formant un polluant atmosphérique. L'analyte est par exemple une espèce gazeuse, telle CO, NO, NO2, 03, 502, C611,,...11 peut également s'agir de particules fines, par exemple des particules en suspension de type PM10 ou PM 2.5. L'acronyme PM, signifiant Particulate Malter, ou matière particulairc, est connu de l'homme du métier. D'une façon générale, la zone géographique considérée comporte des sources d'émission de l'analyte. Ces sources d'émission peuvent être liées à un trafic de véhicule, à la présence d'installations de chauffage urbain, ou à la présence d'installations industrielles susceptibles d'émettre l'analyte. La zone géographique peut comprendre une zone urbaine ou périurbaine, ou encore une zone industrielle ou aéroportuaire. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la zone géographique 1 est une partie d'une ville, comportant des mes 2 tracées en traits sombres. Des capteurs de gaz 31...3, sont répartis dans la zone géographique 1. est un entier naturel désignant le nombre de capteurs de gaz déployés. Ces capteurs sont par exemple des capteurs de type NDIR, ou des capteurs électrochimiques, optiques, ou à substrat solide, par exemple en oxyde métallique (MOX). Il peut par exemple s'agir de capteurs tels que décrits dans W02018162848. Sur la figure 1, les capteurs de gaz sont représentés sous la forme de points noirs. Ces capteurs définissent un maillage de la zone géographique considérée. La distance entre deux capteurs adjacents est de préférence inférieure à 1 km, voire inférieure à 500 m. Elle est typiquement de quelques centaines de mètres. La densité des capteurs est typiquement de 5 capteurs par Km2. [0039] Chaque capteur 3i, 1