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Private GIT Repository
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[desynchronisation-controle.git] / exp_controle_asynchrone / simulMWSN.py
1 import math as mt
2 from random import *
3 import networkx as nx 
4 import numpy as np
5 import pylab as pb
6 from itertools import *
7 from scipy import optimize as opt
8 from copy import deepcopy 
9 import sys as sy
10 import cv as cv
11 import cv2 as cv2 
12 error  = 0.1
13 epsilon = 1E-10
14 vrate = 0.8
15 p = 0.7
16 coteCarre = 50
17 distanceEmmissionMax = 20
18 nbiter = 1000
19 POS = 1
20 POS_NUL = 2
21 POSINF1 = 3
22 init = []
23 fichier_init="config_initiale_default.txt"
24
25
26
27 # construction du  graphe 
28 n = 10
29 lg = [(0, 1, 22.004323820359151), (0, 2, 28.750632705280324), (0, 3, 29.68069293796183), (0, 4, 8.547146256271331), (0, 5, 28.079672647730469), (0, 7, 23.017867703525138), (0, 8, 6.1268526078857208), (0, 9, 24.573433868296771), (1, 0, 22.004323820359151), (1, 2, 18.807277287689722), (1, 3, 18.982897767602783), (1, 4, 16.848855991756174), (1, 5, 17.042671653231526), (1, 6, 16.410544777532913), (1, 7, 25.598808236367063), (1, 8, 20.175759189503321), (1, 9, 12.843763853990932), (2, 0, 28.750632705280324), (2, 1, 18.807277287689722), (2, 3, 1.0957062702237066), (2, 4, 29.159997765424084), (2, 5, 1.8557839901886808), (2, 6, 23.122260476726876), (2, 9, 6.052562826627808), (3, 0, 29.68069293796183), (3, 1, 18.982897767602783), (3, 2, 1.0957062702237066), (3, 4, 29.884008054261855), (3, 5, 1.9922790489539697), (3, 6, 22.479228556182363), (3, 9, 6.4359869969688059), (4, 0, 8.547146256271331), (4, 1, 16.848855991756174), (4, 2, 29.159997765424084), (4, 3, 29.884008054261855), (4, 5, 28.006189408396626), (4, 7, 15.774839848636024), (4, 8, 3.6206480052249144), (4, 9, 23.804744370383144), (5, 0, 28.079672647730469), (5, 1, 17.042671653231526), (5, 2, 1.8557839901886808), (5, 3, 1.9922790489539697), (5, 4, 28.006189408396626), (5, 6, 21.492976178079076), (5, 8, 29.977996181215822), (5, 9, 4.4452006140146185), (6, 1, 16.410544777532913), (6, 2, 23.122260476726876), (6, 3, 22.479228556182363), (6, 5, 21.492976178079076), (6, 9, 20.04488615603487), (7, 0, 23.017867703525138), (7, 1, 25.598808236367063), (7, 4, 15.774839848636024), (7, 8, 16.915923579829141), (8, 0, 6.1268526078857208), (8, 1, 20.175759189503321), (8, 4, 3.6206480052249144), (8, 5, 29.977996181215822), (8, 7, 16.915923579829141), (8, 9, 25.962918470558208), (9, 0, 24.573433868296771), (9, 1, 12.843763853990932), (9, 2, 6.052562826627808), (9, 3, 6.4359869969688059), (9, 4, 23.804744370383144), (9, 5, 4.4452006140146185), (9, 6, 20.04488615603487), (9, 8, 25.962918470558208)]
30
31 #n=3
32 #lg= [(0,1,23),(1,0,15),(1,2,45)]
33 sink = n-1
34
35 def distance(d1,d2):
36     return mt.sqrt(sum([(d1[t]-d2[t])**2 for t in d1]))
37
38
39 def genereGraph():
40     test = False 
41     while not test :
42         G = nx.DiGraph()
43         l = [(random()*coteCarre, random()*coteCarre) for _  in range(n)]
44         for io in range(len(l)) :
45             for ie in range(len(l)) :
46                 if ie != io  : 
47                     dist = mt.sqrt((l[io][0]-l[ie][0])**2 + (l[io][1]-l[ie][1])**2)
48                     if dist <= distanceEmmissionMax :
49                         G.add_edge(io,ie,weight=dist)
50                         G.add_edge(ie,io,weight=dist)
51         test = not(any([ not(nx.has_path(G,o,sink)) for o in  G.nodes() if sink in G.nodes() and o != sink]))
52     return (G,l)
53
54
55 def afficheGraph(G,l,tx,ty,sink):
56     r = 20
57     img = cv.CreateImage ((tx, ty), 32, 3)
58     cv.Rectangle(img, (0,0),(tx,ty), cv.Scalar(255,255,255), thickness=-1)
59     def px((x,y)): 
60         return(int(tx*x/coteCarre),ty-int(ty*y/coteCarre))
61     for i in set(range(len(l)))-set([sink]):
62         (x,y) = l[i]
63         pix,piy = px((x,y))
64         demx = distanceEmmissionMax*tx/coteCarre
65         cv.Circle(img, (pix,piy),demx, cv.Scalar(125,125,125))     
66     
67     for i in set(range(len(l)))-set([sink]):        
68         (x,y) = l[i]
69         pix,piy = px((x,y))
70         cv.Circle(img, (pix,piy),r, cv.Scalar(125,125,125),thickness=-1)     
71     
72     #sink
73     (x,y) = l[sink]
74     pix,piy = px((x,y))
75
76     cv.Rectangle(img, (pix-r/2,piy-r/2),(pix+r/2,piy+r/2), cv.Scalar(125,125,125), thickness=-1)
77
78     for i in range(len(l)):
79         for j in range(len(l)):
80             
81             if np.linalg.norm(np.array(l[i])-np.array(l[j])) < distanceEmmissionMax :
82                 (xi,yi) = l[i]
83                 pixi,piyi = px((xi,yi))
84                 (xj,yj) = l[j]
85                 pixj,piyj = px((xj,yj))
86                 cv.Line(img, (pixi,piyi), (pixj,piyj), cv.Scalar(125,125,125))
87     
88
89     """
90     for i in range(len(l)):
91         (x,y) = l[i]
92         pix,piy = px((x,y))
93         print i
94         textColor = (0, 0, 255)  # red
95         font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX
96         imgp = 
97         cv2.putText(img, str(i), (pix-r/4,piy-r/2),font, 3.0, textColor)#,thickn    """
98     cv.SaveImage("SensorNetwork.png",img)
99
100 G = nx.DiGraph()
101 G.add_weighted_edges_from(lg)
102 #print nx.is_strongly_connected(G)
103
104
105 #nx.draw(G)
106 #pb.show()
107
108 (G,l) = genereGraph()
109 N = G.nodes()
110 #V = list(set(sample(N,int(len(N)*vrate)))-set([sink]))
111 V = list(set(N)-set([sink]))
112 source = V
113 print "source",source
114 afficheGraph(G,l,500,500,sink)
115 #nx.draw(G)
116 #pb.show()
117
118     
119
120
121
122
123
124     
125 #print G.edges(data=True)
126 #TODO afficher le graphe et etre sur qu'il est connexe
127
128
129
130
131
132 L = range(len(G.edges()))
133 d = [di['weight'] for (_,_,di) in G.edges(data=True)]
134
135 #print "L",L
136 #print "d",d
137
138
139 def ail(i,l):
140     assert  l in L, " pb de dimennsion de l: "+str(l)+ " "+ str(L)
141     r = 0
142     (o,e) = G.edges()[l]
143     if o == i :
144         r = 1 
145     elif e == i :
146         r = -1
147     return r
148
149
150
151 # Constantes 
152 a = [[ail(i,l) for l in L ] for i in xrange(n)]
153 aplus  = [[1 if  ail(i,l) > 0 else 0  for l in L ] for i in xrange(n)]
154 amoins  = [[1 if  ail(i,l) < 0 else 0  for l in L ] for i in xrange(n)]
155
156
157
158
159
160 alpha = 0.5
161 beta = 1.3E-8
162 gamma = 55.54
163 delta = 0.2
164 zeta = 0.1
165 amplifieur = 1
166 sigma2 = 3500
167 Bi = 5
168 omega = 0.15
169 D = 100
170 path_loss_exp = 4
171 cr = 0.5
172 cs = [alpha + beta*(di**path_loss_exp) for di in d]
173 #print "cs",cs
174
175
176 #TODO 
177 def etahi(h,i,R):
178     ret = 0
179     if i == h :
180         ret = R[h]
181     elif i == sink  :
182         ret = -R[h]
183     return ret
184
185
186 def psi(Ps,i):
187     if i not in Ps:
188         return 0
189     else :
190         return Ps[i]
191     
192
193
194 def cmpPair(x1,x2):
195     return cmp(x1[1],x2[1])
196
197 def aminp(l):
198     l.sort(cmp=cmpPair)
199     return l[0][0]
200
201
202
203
204
205 def AfficheVariation (up,vp,lap,wp,thetap,etap,qp,Psp,Rhp,xp,valeurFonctionDualep):
206     global u, v, la, w, theta , q, Ps, Rh, eta, x,valeurFonctionDuale
207     
208     print "du=",distance(u,up),
209     print "dv=",distance(v,vp),
210     print "dlambda=",distance(la,lap),
211     print "dw=",distance(w,wp),
212     print "dtheta=",abs(theta-thetap),
213     print "deta=",distance(eta,etap),
214     print "dq=",distance(q,qp),
215     print "dPs=",distance(Ps,Psp),
216     print "dRh=",distance(Rh,Rhp),
217     print "dx=",distance(x,xp),
218     print "dL=",abs(valeurFonctionDuale-valeurFonctionDualep),"\n"
219
220
221 valeurFonctionDuale = 0    
222
223 def entre0et1(x):
224     r = x if (x >0 and x <= 1) else -1
225     #print "ds entre0et1 x et r", x,r 
226     return r
227
228     
229 def xpos(x):
230     r = x if x >0 else -1
231     #print "ds xpos x et r", x,r 
232     return r
233
234 def xposounul(x):
235     return x if x >= 0 else -1
236
237 #f_q,q[i],POS,[i]
238 def armin(f,xini,xr,args):
239     #xpos = lambda x : x if x > 0 else -1 
240     r = 0
241     if xr == POS :
242         #print "strictement pos"
243         #print "parametres passes a cobyla",xini,xpos,args,"consargs=(),rhoend=1E-5,iprint=0,maxfun=1000"
244         r= opt.fmin_cobyla(f,xini,cons=[xpos],args=args,consargs=(),rhoend=1E-3,iprint=0,maxfun=nbiter)
245         #print "le min str pos est",r 
246         #print "le min pos   est", r,"avec xini",xini
247     elif xr == POS_NUL :
248         #print "pos ou nul"
249         r = opt.fmin_cobyla(f,xini,[xposounul],args,consargs=(),rhoend=1E-3,iprint=0,maxfun=nbiter)
250         # print "le min pos est", r
251         #print "le min pos null  est", r,"avec xini",xini
252     elif xr == POSINF1:
253         r = opt.fmin_cobyla(f,xini,[entre0et1],args,consargs=(),rhoend=1E-3,iprint=0,maxfun=nbiter)
254         #print "le min pos inf 1 est", r,"avec xini",xini    
255
256     
257     return r
258
259
260
261
262
263
264 def maj_theta(k):
265     return omega/(mt.pow(k,0.5))
266
267
268
269 def maj_theta(k):
270     return omega/mt.sqrt(k)
271
272
273
274
275 def maj(k,maj_theta,mxg,idxexp):
276     # initialisation des operateurs lagrangiens
277     global u, v, la, w, theta , q,  Ps, Rh,  eta, x, valeurFonctionDuale
278     
279     smax = 0
280     #print "iteration",k
281     
282     up = {}        
283     for h in V:
284         for i in N:
285             if not ASYNC or  random() < taux_succes:
286                 s = eta[(h,i)]-sum([a[i][l]*x[(h,l)] for l in L])
287                 if abs(s) > mxg :
288                     print "ds calcul u",abs(s),idxexp
289                     mxg = abs(s)                 
290                 smax = max(smax,abs(s))
291                 up[(h,i)] = u[(h,i)]-theta*s
292             else :
293                 up[(h,i)] = u[(h,i)]
294
295
296     
297     vp = {}
298     for h in V:
299         if not ASYNC or  random() < taux_succes:
300             s = Rh[h]- mt.log(float(sigma2)/D)/(gamma*mt.pow(Ps[h],float(2)/3))
301             if abs(s) > mxg :
302                 print "ds calcul v",abs(s),idxexp
303                 mxg = abs(s) 
304             smax = max(smax,abs(s))
305             vp[h] = max(0,v[h]-theta*s)
306         else :
307             vp[h] = v[h]
308
309
310
311     lap={}
312     for i in N:
313         if not ASYNC or  random() < taux_succes:
314             s = q[i]*Bi -sum([aplus[i][l]*cs[l]*sum([x[(h,l)] for h in V]) for l in L])-cr*sum([amoins[i][l]*sum([x[(h,l)] for h in V]) for l in L])-psi(Ps,i)
315             if abs(s) > mxg :
316                 print "ds calcul la",abs(s),idxexp,i
317                 mxg = abs(s) 
318             smax = max(smax,abs(s))
319             resla = la[i]-theta*s
320             lap[i] = max(0,resla) 
321         else :
322             lap[i] = la[i]
323
324
325
326                         
327     wp={}
328     for l in L:
329         if not ASYNC or  random() < taux_succes:
330             s = sum([a[i][l]*q[i] for i in N])
331             if abs(s) > mxg :
332                 print "ds calcul w",abs(s),idxexp
333                 mxg = abs(s) 
334             smax = max(smax,abs(s))
335             wp[l] = w[l] + theta*s 
336         else : 
337             wp[l] = w[l]
338
339         
340
341     thetap = maj_theta(k)
342
343
344     qp={}
345     def f_q(qi,i):
346         fa = sum([a[i][l]*w[l] for l in L]) - la[i]*Bi 
347         return qi*qi + qi*fa    
348
349     for i in N:
350         if not ASYNC or  random() < taux_succes:
351             c = -float(sum([a[i][l]*w[l] for l in L]) - la[i]*Bi)/(2*amplifieur)
352             rep = epsilon if c <= 0 else c
353             qp[i] = rep
354         else :
355             qp[i] = q[i]
356
357
358         
359
360  
361     Psp={}
362     #print "maj des des Psh" 
363     def f_Ps(psh,h):
364         #print "ds f_ps",psh, v[h]* mt.log(float(sigma2)/D)/(gamma*((psh**2)**(float(2)/3))) +la[h]*psh
365          return v[h]* mt.log(float(sigma2)/D)/(gamma*mt.pow(float(2)/3)) +la[h]*psh
366     for h in V:
367          if not ASYNC or  random() < taux_succes:
368              """
369              lah = 0.05 if la[h] == 0 else  la[h]
370              rep = mt.pow(float(2*v[h]*mt.log(float(sigma2)/D))/(3*gamma*lah),float(3)/5)
371              Psp[h] = epsilon if rep <= 0 else rep
372              """
373              t= float(-3*la[h]+mt.sqrt(9*(la[h]**2)+64*zeta*v[h]*mt.log(float(sigma2)/D)/gamma))/(16*zeta)
374              #print t
375              rep = mt.pow(t,float(3)/5)
376              Psp[h]=rep
377          else :
378             Psp[h] = Ps[h]
379
380
381
382     etap={}
383
384     for h in V:
385         for i in N :
386             etap[(h,i)] = etahi(h,i,Rh)
387             
388
389
390     Rhp={}
391     def f_Rh(rh,h):
392         return delta*rh*rh-v[h]*rh-sum([u[(h,i)]*eta[(h,i)] for i in N])
393
394     for h in V:
395         if not ASYNC or  random() < taux_succes:
396             rep = float(v[h])/(2*delta)
397             Rhp[h] = 0 if rep < 0 else rep
398         else : 
399             Rhp[h] = Rh[h]
400           
401     xp={}
402     def f_x(xhl,h,l):
403         r =  delta*xhl*xhl + xhl*(cs[l]*sum([la[i]*aplus[i][l] for i in N]) +cr*sum([la[i]*amoins[i][l] for i in N])+sum([u[(h,i)]*a[i][l] for i in N]))
404         return r
405
406     
407     for h in V:
408         for l in L:
409             if not ASYNC or  random() < taux_succes:
410                 rep = -float(cs[l]*sum([la[i]*aplus[i][l] for i in N]) +cr*sum([la[i]*amoins[i][l] for i in N])+sum([u[(h,i)]*a[i][l] for i in N]))/(2*delta)
411                 xp[(h,l)] = 0 if rep < 0 else rep 
412             else :
413                 xp[(h,l)] = x[(h,l)] 
414
415
416
417
418
419     valeurFonctionDualep = 0
420     valeurFonctionDualep += sum([amplifieur*q[i]*q[i] for i in N])  
421     valeurFonctionDualep += sum([sum([delta*(x[(h,l)]**2) for l in L]) for h in V]) 
422     valeurFonctionDualep += sum([delta*(Rh[h]**2) for h in V])  
423     valeurFonctionDualep += sum([sum([u[(h,i)]*(sum([ a[i][l]*x[(h,l)] for l in L])- eta[(h,i)]) for i in N]) for h in V])
424     valeurFonctionDualep += sum([v[h]*(mt.log(float(sigma2)/D)/(gamma*mt.pow(Ps[h],float(2)/3)) - Rh[h]) for h in V]) 
425     valeurFonctionDualep += sum([la[i]*(psi(Ps,i) +sum([aplus[i][l]*cs[l]*sum([x[(h,l)] for h in V]) for l in L])+ cr*sum([ amoins[i][l]*sum([x[(h,l)] for h in V]) for l in L]) -q[i]*Bi)  for i in N ]) 
426     valeurFonctionDualep += sum([w[l]*sum([a[i][l]*q[i] for i in N]) for l in L])
427     
428
429     #AfficheVariation(up,vp,lap,wp,thetap,etap,qp,Psp,Rhp,xp,valeurFonctionDualep)
430
431     arret = abs(valeurFonctionDuale-valeurFonctionDualep) < error
432
433     return (up,vp,lap,wp,thetap,etap,qp,Psp,Rhp,xp,valeurFonctionDualep,arret,mxg,smax)
434
435
436
437
438 """
439 print "u",u
440 print "v",v
441 print "lambda",la
442 print "w",w
443 print "theta",theta
444 print "eta", eta
445 print "q",q
446 print "Ps",Ps
447 print "Rh",Rh
448 print "x",x
449
450 """
451
452
453
454 def initialisation():
455     global u, v, la, w, theta , q,  Ps, Rh,  eta, x,init 
456
457     theta = omega
458
459     q = {}
460     for i in N :
461         q[i] = 0.15 + random()*0.05
462
463
464     Ps= {}
465     for h in V :
466         Ps[h] =  0.2+random()*0.3  
467
468     Rh = {}
469     for vi in V:
470         Rh[vi] = 0.1 + random()*0.1
471
472     eta = {}
473     for h in V :
474         for i in N:
475             eta[(h,i)]= etahi(h,i,Rh)
476
477     x={}
478     for h in V :
479         for l in L:
480             x[(h,l)]=0
481
482
483  
484
485     # initialisation des operateurs lagrangiens
486     u={}
487     for h in V :
488         for i in N:
489             u[(h,i)]= random()
490
491     v = {}
492     for h in V :
493         v[h] = Rh[h]
494
495     la = {}
496     for i in N:
497         la[i] = random()
498
499     w={}
500     for l in L:
501         w[l] =  random()
502
503     init = [deepcopy(q),deepcopy(Ps),deepcopy(Rh),deepcopy(eta),
504             deepcopy(x),deepcopy(u),deepcopy(v),deepcopy(la),deepcopy(w)]
505
506
507
508 def initialisation_():
509     global u, v, la, w, theta , q,  Ps, Rh,  eta, x,init 
510     fd = open(fichier_init,"r")
511     l= fd.readline()
512     init_p = eval(l)
513     print init_p
514     theta = omega
515     (q,Ps,Rh,eta,x,u,v,la,w) = tuple([deepcopy(x) for x in init_p])
516     init = [deepcopy(q),deepcopy(Ps),deepcopy(Rh),deepcopy(eta),
517             deepcopy(x),deepcopy(u),deepcopy(v),deepcopy(la),deepcopy(w)]
518
519
520
521 def __evalue_maj_theta__(nbexp,out=False):
522     global u, v, la, w, theta , q,  Ps, Rh,  eta, x, valeurFonctionDuale 
523     nbexp = 10
524     res = {}
525     m = []
526     itermax = 100000
527  
528     def __maj_theta(k):
529         mem = []
530         om = omega/(mt.pow(k,0.75))
531         return om
532     for idxexp in range(nbexp):
533         mxg = 0
534         if not(out):
535             initialisation()
536         else :
537             initialisation_()
538             
539         k = 1
540         arret = False
541         sm = 0
542         while k < itermax  and not arret : 
543             (u,v,la,w,theta,eta,q,Ps,Rh,x,valeurFonctionDuale,ar,mxg,smax)=maj(k,__maj_theta,mxg,idxexp)
544             errorq =  (max(q.values()) - min(q.values()))/min(q.values())
545             arret = errorq <  error
546             k+=1
547             variation = "+" if smax > sm else "-"
548             print variation,
549             if k%100 ==0 :
550                 print "k:",k,"erreur sur q", errorq, "et q:",q
551                 print "maxg=", mxg
552                 mem = [deepcopy(q),deepcopy(Ps),deepcopy(Rh),deepcopy(eta),
553                        deepcopy(x),deepcopy(u),deepcopy(v),deepcopy(la),deepcopy(w)]
554             if k%4500 == 0 :
555                 print "#########\n",mem,"\#########\n"
556             if k%4600 == 0 :
557                 print "#########\n",mem,"\#########\n"
558
559
560
561             if smax - sm  > 500:
562                 print "variation trop grande"
563                 print "init"
564                 print init
565                 exit 
566             sm = smax
567
568         if k == itermax:
569             print "nbre d'iteration trop grand"
570             print "init"
571             print init
572             sy.exit(1)
573
574         print "###############"
575         print k
576         print "###############"
577         m += [k]
578
579     print (min(m),max(m),float(sum(m))/nbexp,m),m
580
581
582
583 def __une_seule_exp__(fichier_donees):
584     global u, v, la, w, theta , q,  Ps, Rh,  eta, x, valeurFonctionDuale 
585     initialisation()
586         
587
588     fichier = open(fichier_donees, "r")
589     instructions ={}
590     for line in fichier:    
591          l = line.split("=")
592          instructions[l[0]] = eval(l[1])
593     u, v, la, w,  q,  Ps, Rh,  eta, x, = instructions['u'],    instructions['v'],    instructions['la'],    instructions['w'],    instructions['q'],    instructions['Ps'],    instructions['Rh'],    instructions['eta'],    instructions['x']
594     nbexp = 1
595     res = {}
596     m = []
597     itermax = 100000
598  
599     def __maj_theta(k):
600         om = omega/(mt.pow(k,0.75))
601         return om
602     for idxexp in range(nbexp):
603         mxg = 0
604         k = 1
605         arret = False
606         sm = 0
607         while k < itermax  and not arret : 
608             (u,v,la,w,theta,eta,q,Ps,Rh,x,valeurFonctionDuale,ar,mxg,smax)=maj(k,__maj_theta,mxg,idxexp)
609             errorq =  (max(q.values()) - min(q.values()))/min(q.values())
610             arret = errorq <  error
611             k+=1
612             variation = "+" if smax > sm else "-"
613             print variation,
614             if k%100 ==0 :
615                 print "k:",k,"erreur sur q", errorq, "et q:",q
616                 print "maxg=", mxg
617             if smax - sm  > 500:
618                 print "variation trop grande"
619                 print "init"
620                 print init
621                 exit 
622             sm = smax
623
624         if k == itermax:
625             print "nbre d'iteration trop grand"
626             print "init"
627             print init
628             exit 
629
630         print "###############"
631         print k
632         print "###############"
633         m += [k]
634
635     print (min(m),max(m),float(sum(m))/nbexp,m),m
636
637
638
639
640 ASYNC = False
641 __une_seule_exp__("config_initiale.py")
642 #__evalue_maj_theta__()
643 #ASYNC = True
644 #taux_succes = 0.9
645 #__evalue_maj_theta__()
646
647
648
649
650
651 print "u",u
652 print "v",v
653 print "lambda",la
654 print "w",w
655 print "theta",theta
656 print "eta", eta
657 print "q",q
658 print "Ps",Ps
659 print "Rh",Rh
660 print "x",x
661 print "L",valeurFonctionDuale
662
663
664
665 # relation ente les variables primaires et secondaires ?
666