Cette thèse se situe au croisement de deux domaines : la sûreté de fonctionnement des systèmes critiques et les méthodes formelles. Nous cherchons à établir la cohérence des analyses de sûreté de fonctionnement réalisées à l'aide de modèles représentant un même système à des niveaux de détail différents. Pour cela, nous proposons une notion de raffinement dans le cadre de la conception de modèles AltaRica : un modèle détaillé raffine un modèle abstrait si le modèle abstrait simule le modèle détaillé. La vérification du raffinement de modèles AltaRica est supportée par l'outil de model-checking MecV. Ceci permet de réaliser des analyses multi-systèmes à l'aide de modèles à des niveaux de détail hétérogènes : le système au centre de l'étude est détaillé tandis que les systèmes en interface sont abstraits. Cette approche a été appliquée à l'étude d'un système de contrôle de gouverne de direction d'un avion connecté à un système de génération et distribution électrique.

Cette thèse aborde un problème de transport appelé le Problème de m-Tournées Sélectives (PmTS) ou ”Team Orienteering Problem” en anglais. Le PmTS consiste à construire m tournées pour une flotte de véhicules afin de desservir un sous-ensemble sélectionné de clients. Dans le PmTS un service est fourni à chaque client visité en contrepartie de quoi, un gain est récolté. La tournée de chaque véhicule part d'un dépôt, passe par un sous-ensemble de clients et revient en un autre sans dépasser la longueur maximale autorisée. Chaque client peut être desservi au plus une fois par un unique véhicule. L'objectif est de maximiser le gain total récolté. Le PmTS étant un problème NP-difficile, notre objectif de recherche a consisté à proposer des heuristiques basées sur le principe général de ”Cluster first - Route second”. Ces algorithmes sont prévus pour être intégrés dans un logiciel de planification des tournées de techniciens de maintenance.

Vegetation is present all around us and we are accustomed to see trees and other plants everyday. Its accurate representation is thus an essential part of the realistic depiction of natural scenes in a virtual environment. Due to the complexity of both vegetation and its reaction to wind load, such representation are still being unresolved issues of research in computer graphics. In a first step to the development of suitable models of animated plants, it is thus essential to understand as much as possible all the phenomena which produce the observable motion of trees. This thesis is organized in two parts. The first is on the acquisition and the reproduction of the motion of real plants and contains three chapters. The second is on mechanical simulation of plants dynamics and is divided in two chapters. In the first part, chapter 2 describes experimental work I have done and participated to within the Chene-Roseau project and shows the obtained data on plants response to natural wind load and manual excitation. We also discuss how features observable in a video can be automatically tracked along the sequence and presents some methods I have developed. These algorithms have been put in a software I developed that also focus on user interaction to compensate for the limitation of automatic techniques. An explanation is given in chapter 3 of how manual input can be used to extract reliable motion data from video. At the end of the first part, chapter 4 presents our results on structure extraction from 2D motion data (previously extracted from a video) and its retargeting. The statistical study of 2D motion data I have developed is discussed. We show how it can be used to extract a valid hierarchical branches structure that holds the plants motion and how it is used to reproduce the observed motion on a virtual model. In the second part, simulation method of tree response to wind load is discussed. In chapter 5, a state of the art of existing real-time animation technique is given. We introduce several concept of mechanics and simulation of elastic structure dynamics in order to compare all described methods. Finally chapter 6 presents the methods developed in collaboration with Mathieu Rodriguez on the real-time simulation of thousands of trees in response to interactive wind.

La neuro-imagerie est actuellement la principale modalité non-invasive pour explorer la structure et le fonctionnement dur cerveau. Dans cette présentation, nous allons nous concentrer sur l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) qui est la seule modalité à fournir une couverture de tout le volume cérébral à la résolution du millimètre. L'utilisation des données d'IRM pour mieux comprendre le fonctionnement normal du cerveau et pour diagnostiquer différentes maladies implique quelques problèmes fondamentaux: i) La capacité à utiliser des informations hétérogènes, telles que la segmentation des tissus observés en IRM anatomique, la caractérisation fonctionnelle de certaines régions cérébrales en IRM fonctionnelle et les mesures de connectivité obtenues en IRM de diffusion; ii) la capacité à opérer des comparaisons inter-individuelles pertinentes, en dépit de la variabilité impressionnante de la forme des cerveaux observée même dans des populations saines. Nous allons présenter différentes propositions pour construire des modèles moyens de l'organisation cérébrale tout en mettant en évidence la variabilité inter-individuelle avec différents outils de traitement statistique. Enfin nous allons évoquer les problèmes soulevés par la comparison des données d'IRM avec celles obtenues par génotypage complet des individus, qui fournissent les marqueurs fondamentaux de la variabilité inter-individuelle.

Cette thèse introduit deux outils pour l'accès performant aux données d'un algorithme à front d'onde dans un contexte d'exécution out-of-core. Ces algorithmes sont facilement parallélisables en utilisant des techniques de macro-pipelining, qui permettent un recouvrement des calculs et des communications. Le premier outil part du constat que les performances des opérations de lecture/écriture dans une telle situation sont désastreuses: les données sont éclatées sur disque et leur rapatriement en mémoire est long et coûteux. Le nouvel agencement de données sur disque proposé permet de résoudre ces problèmes en accédant aux données uniquement de manière contiguë. Si ce premier outil décrit comment accéder aux données, le deuxième est un modèle de synchronisation qui décrit quand y accéder. En effet, l'exécution parallèle et concurrente des algorithmes à front d'onde nécessite un contrôle strict des temps d'accès et des temps d'attente. Le modèle présenté dans cette thèse remplit ce rôle, tout en donnant des garanties de propriétés intéressantes pour les applications itératives: verrouillage pro-actif, évolution sans interblocages, progression homogène des tâches. L'utilisation de ces deux outils a été intensivement testée sur un benchmark de référence et expérimentée sur des machines de la plate-forme Grid'5000.

Comment notre système moteur peut-il influencer notre perception ? Quels sont les mécanismes qui permettent de réaliser un même mouvement avec différents effecteurs ? Afin d'apporter des éléments de réponse à ces deux questions issues des sciences cognitives, nous avons étudié un système sensori-moteur: celui mis en oeuvre pour les tâches de lecture et écriture de lettres cursives isolées. Notre contribution est un modèle formel de cette boucle sensori-motrice, qui tient compte des observations et théories issues de la littérature. L'hypothèse centrale est qu'il existe un codage interne des lettres commun à la perception et à l'action, et, de plus, indépendant de l'effecteur. Ce codage, pivot entre la perception et l'action, consiste en des séquences de points de contrôle, géométriquement remarquables, identifiables à partir de la trace des lettres, et permettant de récupérer une partie de l'information cinématique. Le formalisme utilisé est celui de la programmation bayésienne. La définition d'un programme bayésien se fait par l'écriture d'une distribution de probabilité conjointe. Connaissant cette probabilité conjointe, le modèle est capable de résoudre plusieurs tâches cognitives. Chacune de ces tâches correspond à une question probabiliste qui est résolue automatiquement par inférence bayésienne : la lecture, la lecture en simulant le geste d'écriture, la copie de traces, la reconnaissance du scripteur, l'écriture avec différents effecteurs. Nous avons simulé informatiquement chacune de ces inférences et comparé leurs résultats aux observations issues des expériences de psychophysique. Le modèle permet d'effectuer des prédictions et ainsi de suggérer de nouveaux protocoles expérimentaux.

La problématique de recherche développée concerne la modélisation de milieux complexes sous différentes approches. Initialement centrée sur la simulation d'écoulements fluides implémentée sur des systèmes informatiques parallèles, la thématique a évoluée vers des conceptions et des domaines d'applications plus vastes et notamment la modélisation des écosystèmes aquatiques dans leur complexité naturelle. On développe des aspects méthodologiques permettant la représentation d'organisations dynamiques détectées par des techniques de clustering puis représentées globalement dans des simulations multi-échelles. Les aspects liés à l'implémentation sont développés dans le cadre de systèmes informatiques distribués dynamiques et abordent quelques problèmes liés à la migration dynamique de codes. Le travail présenté ici traduit un instantané d'une recherche qui s'inscrit dans une dynamique qui a conduit à l'émergence d'une activité de recherche significative dans le cadre de la montée en puissance d'un laboratoire, le LIH (Laboratoire d'Informatique du Havre), et d'une formation doctorale, le DEA ITA (Informatique Théorique et Applications).

La réservation de ressources dans un réseau de communication est un domaine d'application très vaste, qui implique des problèmes algorithmiques nombreux et variés. La modélisation d'un réseau sous la forme d'un graphe permet, indépendamment de sa nature physique, de développer des algorithmes pour déterminer quels sont les noeuds et/ou les liens du réseau qui doivent être réservés. Il s'agit de gérer au mieux l'attribution de ces ressources pour les membres qui inter-agissent via le réseau. Pour la résolution de problèmes liés à la réservation de ressources au niveau d'un lien particulier, c'est la modélisation sous la forme d'un ordonnancement qui est alors particulièrement adaptée. Dans ce type de problèmes, il n'est pas toujours possible de connaître à l'avance toutes les données à traiter. En effet, les demandes de membres amenés à communiquer via le réseau ainsi que les demandes de réservation au niveau des liens arrivent en pratique au fils de l'eau. Pour prendre en compte cette difficulté, nous nous plaçons dans le contexte de l'algorithmique on-line (en ligne). Les données du problème à traiter ne sont donc pas connues dès le départ, mais révélées au fur et à mesure, sans aucune connaissance du futur. Pour chacun des problèmes on-lines traités, nous proposons des algorithmes que nous évaluons analytiquement, en fonction d'un (ou parfois plusieurs) critère(s) de performance.

L'approche à base d'agents s'intéresse à la modélisation et la simulation de systèmes complexes. Un des aspects importants dans le processus de conception est lié à la mise au point des paramètres du modèle. En effet, ces modèles sont généralement caractérisés par de nombreux paramètres qui déterminent la dynamique globale du système simulé. L'espace des paramètres peut être alors gigantesque. De plus, le comportement de ces systèmes complexes est souvent chaotique. L'approche que nous suggérons est de considérer le problème de calibrage des modèles à base d'agents comme un problème d'optimisation. La validation peut alors être reformulée comme l'identification d'un jeu de paramètres qui optimise une fonction, par exemple une mesure de distance entre le modèle artificiel que nous simulons et le système réel. Nous avons proposé trois approches complémentaires dans le cadre de la thèse. La première approche se fonde sur l'application directe d'un algorithme d'optimisation où le modèle est vu comme une boîte noire dont les entrées sont les valeurs de paramètres et la sortie la valeur d'une fonction objectif évaluée après la simulation du modèle. La deuxième approche consiste ensuite à explorer différentiellement l'espace des paramètres en le découpant de manière adaptative en sous-espaces d'autant plus finement découpés que les paramétrages correspondants sont a priori intéressants. Enfin, la troisième approche consiste à effectuer une seule simulation où les agents sont modifiés en ligne.

Le domaine scientifique de la Biologie des Systèmes étudie les interactions entre les composantes d'un système biologique afin d'en comprendre son fonctionnement global. Au cours de cette these, nous avons d'abord utilisé des graphes simples. Cette approche a permis d' appréhender la manière dont un réseau biologique peut interagir avec son environnement, lui-même modélisé par un autre réseau. Nous avons ensuite défini le formalisme MIB (Model of Interactions in Biology) qui permet de définir, rechercher et étudier les motifs hétérogènes. Enfin pour approfondir l'étude de la structure et de la dynamique, nous avons proposé le formalisme MIN. MIN possède la structure bipartie de MIB, mais permet d'avoir des annotations beaucoup plus riches des noeuds et des arcs du réseau qui peuvent être utilisées pour la traduction des données automatiquement en d'autres formalismes couramment utilisés en modélisation biologique, tels que les équations différentielles ou la modélisation logique.