l aboratoire d i ngÉnierie des s ystÈmes a utomatisÉs ea 4014 – université dangers institut...
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LABORATOIRE d’INGÉNIERIE des SYSTÈMES AUTOMATISÉS
EA 4014 – Université d’Angers
Institut des Sciences et Techniques de l’Ingénieur d’Angers
Master2 RechercheSpécialité : Systèmes Dynamiques et Signaux
ALGORITHME DE FOURIER – MOTZKIN. APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS.ALGORITHME DE FOURIER – MOTZKIN. APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS.
SUJET :
Réalisé par :
Codjo Hermann ZANNOU
Suivi par :
Mr Philippe DECLERCK Maître de Conférences à l’université d’Angers
Juin 2007
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PLAN PLAN
OBJECTIF GÉNÉRALOBJECTIF GÉNÉRAL
1 - ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN1 - ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
2 – QUELQUES RAPPELS SUR LES RÉSEAUX DE PETRI2 – QUELQUES RAPPELS SUR LES RÉSEAUX DE PETRI
3 – APPLICATION DE L’ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN AUX GRAPHES D’ ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS3 – APPLICATION DE L’ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN AUX GRAPHES D’ ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
CONCLUSION ET PERSPECTIVESCONCLUSION ET PERSPECTIVES
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OBJECTIF GÉNÉRAL
1. un algorithme de résolution des systèmes d’inéquations Ax≤b 1. un algorithme de résolution des systèmes d’inéquations Ax≤b
Analyser :Analyser :
2. une démarche de calcul de trajectoire des graphes d’événements temporisés
2. une démarche de calcul de trajectoire des graphes d’événements temporisés
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Partie1 : Algorithme de Fourier-MotzkinPartie1 : Algorithme de Fourier-Motzkin
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Objectif
m contraintes
n variables
Applicable à des systèmes d’inégalités Ax ≤ b
mnmnm
n
n
x
x
x
.
.
.
.
......
...
...
....
....
2
1
2
1
1
22221
11211
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Objectif
Elle permet de :
Tester l’existence de solution des systèmes Ax ≤ b. Trouver une solution lorsqu'elle existe.
Elle permet de :
Tester l’existence de solution des systèmes Ax ≤ b. Trouver une solution lorsqu'elle existe.
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Principe
ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
La méthode comporte deux phases :La méthode comporte deux phases :
Une phase de descente Une phase de descente
Une phase de remontée Une phase de remontée
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Principe
Descente
Après classement nous avons le système suivant :
0
'''
1
''''
1
''
1
, ),....,1(,0
, ),...1(,
, ),,.........1(,
Immibxax
Immibxax
Imibxax
ii
ii
ii
mnmnm
n
n
x
x
x
.
.
.
.
......
...
...
....
....
2
1
2
1
1
22221
11211
m contraintes
n variables
Etape1: classement
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Principe
Descente
Etape2 : calcul des bornes
'm i 1
' 1
''1'
'
Sx
ia
ibMinx
mjm
jbx
jaMaxI
(4)(1) et (2) →
0
'''
1
''''
1
''
1
, ),....,1(,0
, ),...1(,
, ),,.........1(,
Immibxax
Immibxax
Imibxax
ii
ii
ii (1)(2)
(3)
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Principe
Descente
Etape3 : élimination
0
'''
1
''''
1
''
1
, ),....,1(,0
, ),...1(,
, ),,.........1(,
Immibxax
Immibxax
Imibxax
ii
ii
ii
(3)(2)(1)
Répéter la procédure sur la variable x2
mmibxa
mmjmibbxaa
ii
jiji
,....,1,
,.....,1 ; ,...,1,
'''
'''''(5)
I ≤ S
(4) et (3)
'm i 1
' 1
''1'
'
Sx
ia
ibMinx
mjm
jbx
jaMaxI
(4)(1) et (2) →
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Principe
Remontée
Connaissant la condition sur la variable xn et en lui
attribuant une valeur, on peut remonter à la condition sur
la variable xn-1 ainsi de suite on remonte à la variable x1.
Connaissant la condition sur la variable xn et en lui
attribuant une valeur, on peut remonter à la condition sur
la variable xn-1 ainsi de suite on remonte à la variable x1.
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Existence de solution
Le test d’existence de solution est réalisé après élimination des (n-1) premières variables du système d’inéquations linéaires Ax ≤ bLe test d’existence de solution est réalisé après élimination des (n-1) premières variables du système d’inéquations linéaires Ax ≤ b
Il suffit de vérifier si la borne inférieure de la dernière variable est inférieure ou égale à sa borne supérieure.
Il suffit de vérifier si la borne inférieure de la dernière variable est inférieure ou égale à sa borne supérieure.
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Exemple
Descente
bxx
xx
xx
xx
xx
xx
21
21
21
21
21
21
80
10
02
120
3
22
Pour b = 15
Existence de solution
158
2 , 3 , 221 , 2
1
2
2212
x
xxMinxxMax (7)
(6)
bxx
xx
xx
xx
xx
xx
21
21
21
21
21
21
80
10
02
20
3
22 (1)
(4)
(3)
(5)
(6)
(2)
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
ExempleDescente
8
1521
31
221
4
26
44
2
2
2
2
22
22
x
x
x
x
xx
xx
8
1521
22
34
23
4
2
2
2
2
2
2
x
x
x
x
x
x
8
15,2,4,2
2
3,
3
42
MinxMax
8
15,2
2
32
Minx
Existence de solution
158
2 , 3 , 221 , 2
1
2
2212
x
xxMinxxMax (7)
(6)
158
21
31
221
22
1
32
1
222
1
2
2
2
2
22
22
x
x
x
x
xx
xx
(6)
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
ExempleDescente
cohérentx : 8
15
2
32
Remontée
1 11 2,2
3,11,
4
3111
xxMinxMax
En prenant x2= 3/2 on a :
[1 1.5]T est donc une solution quelconque
Existence de solution
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Exemple
bxx
xx
xx
xx
xx
xx
21
21
21
21
21
21
80
10
02
20
3
22
Descente
bxx
xx
xx
xx
xx
xx
21
21
21
21
21
21
80
10
02
120
3
22
118
2 , 3 , 221 , 2
1
2
2212
x
xxMinxxMax
Pour b = 11
Existence de solution
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
ExempleDescente
118
21
31
221
22
1
32
1
222
1
2
2
2
2
22
22
x
x
x
x
xx
xx
8
1121
31
221
4
26
44
2
2
2
2
22
22
x
x
x
x
xx
xx
8
1121
22
34
23
4
2
2
2
2
2
2
x
x
x
x
x
x
8
11,2,4,2
2
3,
3
42
MinxMax
8
11,2
2
32
Minx
Existence de solution
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
ExempleDescente
impossibleest qui ce 8
11
2
3
8
11,2
2
322
xMinx
Donc le système n’admet pas de solution pour b =11Donc le système n’admet pas de solution pour b =11
Existence de solution
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Analyse des itérations
0
'''
1
''''
1
''
1
, ),....,1(,0
, ),...1(,
, ),,.........1(,
Immibxax
Immibxax
Imibxax
ii
ii
ii
itération borneinférieure
Bornesupérieure
Nouveau système après élimination de la variable courante
(1) et (2) finie finie Dépend de (1) et (2)
(3) - ∞ + ∞ Dépend de (3)
(1) et (3) - ∞ finie Dépend de (3)
(2) et (3) finie + ∞ Dépend de (3)
(1) - ∞ finie Arrêt de la descente
(2) finie + ∞ Arrêt de la descente
(1)
(3)(2)
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Analyse des itérations
0
'''
1
''''
1
''
1
, ),....,1(,0
, ),...1(,
, ),,.........1(,
Immibxax
Immibxax
Imibxax
ii
ii
ii
itération borneinférieure
Bornesupérieure
Nouveau système après élimination de la variable courante
(1) et (2) finie finie Dépend de (1) et (2)
(3) - ∞ + ∞ Dépend de (3)
(1) et (3) - ∞ finie Dépend de (3)
(2) et (3) finie + ∞ Dépend de (3)
(1) - ∞ finie Arrêt de la descente
(2) finie + ∞ Arrêt de la descente
(1)
(3)(2)
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Analyse des itérations
0
'''
1
''''
1
''
1
, ),....,1(,0
, ),...1(,
, ),,.........1(,
Immibxax
Immibxax
Imibxax
ii
ii
ii
itération borneinférieure
Bornesupérieure
Nouveau système après élimination de la variable courante
(1) et (2) finie finie Dépend de (1) et (2)
(3) - ∞ + ∞ Dépend de (3)
(1) et (3) - ∞ finie Dépend de (3)
(2) et (3) finie + ∞ Dépend de (3)
(1) - ∞ finie Arrêt de la descente
(2) finie + ∞ Arrêt de la descente
(1)
(3)(2)
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Analyse des itérations
0
'''
1
''''
1
''
1
, ),....,1(,0
, ),...1(,
, ),,.........1(,
Immibxax
Immibxax
Imibxax
ii
ii
ii
itération borneinférieure
Bornesupérieure
Nouveau système après élimination de la variable courante
(1) et (2) finie finie Dépend de (1) et (2)
(3) - ∞ + ∞ Dépend de (3)
(1) et (3) - ∞ finie Dépend de (3)
(2) et (3) finie + ∞ Dépend de (3)
(1) - ∞ finie Arrêt de la descente
(2) finie + ∞ Arrêt de la descente
(1)
(3)(2)
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Analyse des itérations
0
'''
1
''''
1
''
1
, ),....,1(,0
, ),...1(,
, ),,.........1(,
Immibxax
Immibxax
Imibxax
ii
ii
ii
itération borneinférieure
Bornesupérieure
Nouveau système après élimination de la variable courante
(1) et (2) finie finie Dépend de (1) et (2)
(3) - ∞ + ∞ Dépend de (3)
(1) et (3) - ∞ finie Dépend de (3)
(2) et (3) finie + ∞ Dépend de (3)
(1) - ∞ finie Arrêt de la descente
(2) finie + ∞ Arrêt de la descente
(1)
(3)(2)
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Analyse des itérations
0
'''
1
''''
1
''
1
, ),....,1(,0
, ),...1(,
, ),,.........1(,
Immibxax
Immibxax
Imibxax
ii
ii
ii
itération borneinférieure
Bornesupérieure
Nouveau système après élimination de la variable courante
(1) et (2) finie finie Dépend de (1) et (2)
(3) - ∞ + ∞ Dépend de (3)
(1) et (3) - ∞ finie Dépend de (3)
(2) et (3) finie + ∞ Dépend de (3)
(1) - ∞ finie Arrêt de la descente
(2) finie + ∞ Arrêt de la descente
(1)
(3)(2)
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ALGORITHME DE FOURIER-MOTZKIN
Guide utilisateur
Le programme Scilab développé comprend quatres parties :Le programme Scilab développé comprend quatres parties :
un programme principal « Optim »un programme principal « Optim »
un sous-programme « elimination »un sous-programme « elimination »
un sous programme « remontee »un sous programme « remontee »
un sous programme « affichage »un sous programme « affichage »
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Partie2 : Rappels les Réseaux de PetriPartie2 : Rappels les Réseaux de Petri
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RAPPELS SUR LES RESEAUX DE PETRI
Définition
Un réseau de Pétri est un moyen de :Un réseau de Pétri est un moyen de :
Modélisation du comportement des systèmes à événements discrets Modélisation du comportement des systèmes à événements discrets
Description des relations existantes entre des conditions et des événements Description des relations existantes entre des conditions et des événements
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RAPPELS SUR LES RESEAUX DE PETRI
Description
Figure2 : Réseau de Petri
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RAPPELS SUR LES RESEAUX DE PETRI
Graphe d’événements
Figure2 : Réseau de Petri
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Partie 3
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Objectifs
Modéliser les graphes d’Événements Temporisés sous forme algébrique simplifiée Ax ≤ b
Modéliser les graphes d’Événements Temporisés sous forme algébrique simplifiée Ax ≤ b
Ensuite appliquer Fourier-Motzkin pour tracer les trajectoires temporelles .Ensuite appliquer Fourier-Motzkin pour tracer les trajectoires temporelles .
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Modèle algébrique
La forme algébrique simplifiée Ax ≤ b s’obtient en dupliquant les places qui contiennent plus d’un jeton.
La forme algébrique simplifiée Ax ≤ b s’obtient en dupliquant les places qui contiennent plus d’un jeton.
Cela se fait au prix d’une extension du vecteur d’état x(k) Cela se fait au prix d’une extension du vecteur d’état x(k)
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Modèle algébrique
Toute place située entre deux transitions internes doit contenir au maximum un jeton Toute place située entre deux transitions internes doit contenir au maximum un jeton
Illustration:
Après transformation nous avons le graphe suivant :
Démarche
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Modèle algébrique
Toute place située entre une transitions source et une transition interne doit être sans jeton
Toute place située entre une transitions source et une transition interne doit être sans jeton
Illustration :
Après transformation nous obtenons le graphe suivant :
Démarche
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Modèle algébrique
exemple
Description aux dateurs , algèbre (max,+)
)(8)(
)1(4)(
)1(5)(2)(
2
12
21
kxky
kxkx
kxkukx
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Modèle algébrique
exemple
Description aux dateurs , algèbre (max,+) Description aux dateurs , algèbre ordinaire
)()(21
kxkx )()(21
kxkx
)()(21
kxkx ))( , )(max(21
kxkx
)1(5)(2)(21
kxkukx
)1(5)(
)(2)(
21
1
kxkx
kukx
)(8)(
)1(4)(
)1(5)(2)(
2
12
21
kxky
kxkx
kxkukx
)(8)(
)1(4)(
)1(5)(
)(2)(
2
12
21
1
kxky
kxkx
kxkx
kukx
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Modèle algébrique
exemple
)(8)(
)1(4)(
)1(5)(
)(2)(
2
12
21
1
kxky
kxkx
kxkx
kukx
(1)
8)(.0)( 10)(.1
4
5
2
)(
0
0
1
)1(
01
10
00
)(
00
00
00
)(
10
01
01
kukxky
kukxkxkx
(2)
yy
xuxx
BkuDkCxkyA
BkuAkxAkxAkxA
)(.)()(
)()1()()( 1'''
(3)
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Modèle algébrique
Forme générale
Forme généraleForme générale
)(
)('' bkyA
bkAx (4)
(5)
yy
xuxx
BkuDkCxkyA
BkuAkxAkxAkxA
)(.)()(
)()1()()( 1'''
(3)
yy
xuxx
BkuDkCxkA
BkxAkxAkxAA
)(.)()(
)()1()( 1'''
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Systèmes monotones
Un système d’inégalités linéaires de la forme Ax ≤ b est dit sup-monotone (respectivement inf-monotone) si chaque ligne de la matrice A a au maximum un élément strictement positif (respectivement strictement négatif)
Un système d’inégalités linéaires de la forme Ax ≤ b est dit sup-monotone (respectivement inf-monotone) si chaque ligne de la matrice A a au maximum un élément strictement positif (respectivement strictement négatif)
Définitions
Nous avons montré qu’un graphe d’Événements Temporisés modélisé sous forme Ax ≤ b est un système inf- monotoneNous avons montré qu’un graphe d’Événements Temporisés modélisé sous forme Ax ≤ b est un système inf- monotone
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Applications
)(8)(
)1(4)()(.0
)1(5)(.0)(
)(2)(.0)(
2
121
221
21
kxky
kxkxkx
kxkxkx
kukxkx
exemple
SkykxI
SkxkxI
SkxkxkuMaxI
)()(8
)()1(4
)()1(5 , )(2
2
21
12
)(8)(
4
5
2
)(
0
0
1
)1(
01
10
00
)(
10
01
01
2kxky
kukxkx
(1)
(2)
(3)
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Applications
On va représenter la sortie y(k), k = {1 , 10}. Pour cela, on prend l’entrée sur un l’horizon [1 10]On va représenter la sortie y(k), k = {1 , 10}. Pour cela, on prend l’entrée sur un l’horizon [1 10]
k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10u(k) 28 28 67 76 76 115 124 124 172 +∞
0
0)0( ; 28)1( xu
SyI
SxI
SxI
)1(12
)1(4
)1(30
2
1
12)1( , 4
30)1(
yx
exemple
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APPLICATION AUX GRAPHES D’ÉVÉNEMENTS TEMPORISÉS
Applications
k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
x1(k) 30 30 69 78 78 117 126 126 174 +∞
x2(k) 4 34 34 73 82 82 121 130 130 178
k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10y(k) 12 42 42 81 90 90 129 138 138 186
exemple
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Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
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CONCLUSION ET PERSPECTIVES
Conclusion
Nous avons développé un programme Scilab basé sur l’algorithme de Fourier-Motzkin qui :Nous avons développé un programme Scilab basé sur l’algorithme de Fourier-Motzkin qui :
teste l’existence de solution pour les systèmes linéaires Ax ≤ b.
teste l’existence de solution pour les systèmes linéaires Ax ≤ b.
calcule une solution quelconque des systèmes linéaires Ax ≤ b. calcule une solution quelconque des systèmes linéaires Ax ≤ b.
Maximise ou minimise une fonction objective sous Ax ≤ b. Maximise ou minimise une fonction objective sous Ax ≤ b.
calcule les trajectoires temporelles des graphes d’événements. calcule les trajectoires temporelles des graphes d’événements.
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CONCLUSION ET PERSPECTIVES
Perspectives
Le programme développé peut être utiliser pour :Le programme développé peut être utiliser pour :
résoudre les inégalités aux compteurs résoudre les inégalités aux compteurs
la commande des systèmes linéaires la commande des systèmes linéaires
le calcul du taux de production le calcul du taux de production
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Merci de votre attentionMerci de votre attention