L'objectif de ce travail consiste à mettre en place des modèles d'intelligence en essaim pour l'étude de l'émergence spatiale d'organisations dans des systèmes complexes auto-organisés, sous des contraintes multi-critères. Le contexte scientique de la formalisation dans le cadre de la modélisation des systèmes complexes est développé dans ce document. Une méthodologie est présentée et conduit au développement d'une heuristique complexe tissant des liens entre des modèles élémentaires bio-inspirés des algorithmes de type fourmis. Une application est développée et concerne la modélisation de l'usage de services - notamment des services culturels - en dynamique urbaine, ainsi que la modélisation des mécanismes d'adaptation de ces services en fonction de leurs usages.

La modélisation d'un système intégré sur puce nécessite la spécification de l'application logicielle et la modélisation de l'architecture matérielle puis le déploiement du logiciel sur ce matériel. L'objectif du concepteur de systèmes intégrés est de trouver la meilleure solution de déploiement pour optimiser les critères de surface de silicium, de consommation d'énergie, et de performances. Ces critères sont le plus souvent évalués par simulation. En raison du grand nombre de paramètres de l'architecture matérielle et des choix dans le déploiement du logiciel sur l'architecture, le temps nécessaire pour les simulations est important. Les outils permettant de réduire ce temps présentent un grand intérêt. Cette thèse présente des principes et des outils pour faciliter le développement des architectures matérielles et pour accélérer la simulation de modèles d'architectures synchrones décrites en langage SystemC, précis au cycle près et au bit près. Ce document est constitué de quatre chapitres : • La modélisation de composants matériels en SystemC sous la forme d'automates synchrones communicants (CFSM) ; • La génération de modèles SystemC, pour la simulation, à partir de descriptions synthétisables VHDL au niveau RTL ; • La vérification des règles d'écriture des modèles SystemC ; • La simulation rapide à l'aide d'une technique d'ordonnancement totalement statique. Ces outils permettent au concepteur de construire rapidement une architecture matérielle à l'aide de composants synthétisables au niveau RTL et de composants SystemC, respectant le modèle des CFSM. SystemCASS simule une telle architecture avec une accélération supérieure à un facteur 12 par rapport à un simulateur à échéancier dynamique.

Nous nous intéressons dans cette thèse à des problèmes d'optimisation liés au domaine des réseaux. Ces problèmes sont d'une part des problèmes d'optimisation ``classiques'' dans lesquels nous cherchons à pallier la NP-difficulté d'un problème en proposant des algorithmes approchés, le plus souvent avec garantie de performance. D'autre part, nous avons considéré des problèmes dans lesquels les utisateurs du réseau sont indépendants et individualistes. Chaque utilisateur souhaite alors optimiser sa propre fonction objectif, qui peut être très différente de la fonction objectif globale que, en tant que concepteurs d'un protocole, nous souhaitons optimiser. Nous nous plaçons alors dans le cadre de la théorie des jeux algorithmique et cherchons à optimiser cette fonction objectif globale en prenant en compte des contraintes supplémentaires dues au fait que les utilisateurs se comportent de façon individualiste. Les problémes que nous avons considérés sont des problémes d'ordonnancement et de routage.

Nombre de sciences utilisent la simulation comme outil de modélisation. Le but de notre travail est d'améliorer la prise en compte d'échelles multiples dans une simulation informatique. Il nous faut donc comprendre comment les sciences se construisent, et le rapport qu'entretiennent cette épistémologie et la simulation.<br />Cette thèse commence donc par un chapitre résumant différentes tendances épistémologiques et s'efforce de les rattacher à la tâche qu'on s'est fixé. Le deuxième chapitre présente de manière plus spécifique ce qu'on peut vouloir dire par « échelles multiples » ou « niveau de description » dans différents travaux scientifiques, en insistant plus particulièrement sur ce qui sera notre application principale, l'hydrodynamique et les écosystèmes.<br />Le chapitre 3 présente alors l'application qui a donné naissance au travail actuel, qui est un système destiné à améliorer l'intelligibilité dans un système de communications écrites entre gestionnaires d'une situation de crise, en utilisant la forme et la dynamique du discours pour aider à résumer sa sémantique.<br />Vient ensuite un résumé de ce dont traite l'écologie, de l'importance des flux dans les modèles actuels d'écosystèmes, et des tendances les plus répandues actuellement dans la modélisation d'écoulement fluide. Ceci nous amène dans le chapitre 5 à la description d'une application qui s'efforce de gérer différentes échelles dans une simulation d'écoulement fluide, en gardant à l'esprit une intégration ultérieure dans une simulation d'écosystème plus générale. Nous utilisons comme base un modèle dit particulaire sur lequel nous appliquons deux méthodes pour détecter des structures ou des organisations au cours de la simulation. Une de celle-ci permet le remplacement des particules de bases qui se sont auto-organisées par une nouvelle entité qui représente la structure en question. La vie sociale subséquente de cette nouvelle entité de simulation peut ensuite mener à la création d'encore nouvelles échelles, et ce d'une manière itérative sans limité supérieure théorique.<br />Nous terminons avec un article en anglais qui commence à expliciter comment ce travail mènera à une simulation d'écosystème plus générale.

De nombreuses fonctions cellulaires sont réalisées grâce à l'interaction coordonnée de plusieurs gènes. Identifier le graphe de ces interactions, appelé réseau de régulation génétique, à partir de données d'expression de gènes est l'un des objectifs majeurs de la biologie des systèmes. Dans cette thèse, nous abordons ce problème en choisissant de modéliser les relations entre gènes par un réseau bayésien. Se pose alors la question de l'apprentissage de la structure de ce type de modèle à partir de données qui sont en général peu nombreuses. Pour résoudre ce problème, nous recherchons parmi tous les modèles possibles le modèle le plus simple, expliquant le mieux les données. Pour cela, nous introduisons et étudions différents types d'algorithmes génétiques permettant d'explorer l'espace des modèles. Nous nous intéressons plus particulièrement aux méthodes de spéciation. ces dernières, en favorisant la diversité des solutions candidates considérées, empêchent l'algorithme de converger trop rapidement vers des optima locaux. Ces algorithmes génétiques sont comparés avec différentes méthodes d'apprentissage de structure de réseaux bayésiens, classiquement utilisées dans la littérature. Nous mettons ainsi en avant la pertinence des approches evolutionnaires pour l'apprentissage de ces graphes d'interactions. Enfin, nous les comparons à une classe alternative d'algorithmes évolutionnaires qui s'avère particulièrement prometteuse : les algorithmes à estimation de distribution. Tous ces algorithmes sont testés et comparés sur un modèle du réseau de régulation de l'insuline de 35 noeuds dont nous tirons des jeux de données synthétiques de taille modeste.

Un réseau de télécommunication optique est configuré de manière à répondre à<br />une demande donnée, avec un certain objectif. Avec le temps, la demande<br />d'exploitation du réseau change. C'est dans ce contexte que se pose le<br />problème de la reconfiguration: être capable de changer la configuration du<br />réseau de manière à l'adapter à des nouvelles demandes. Pour ce faire il faut<br />généralement interrompre totalement ou partiellement le trafic. Étant données<br />les quantités de données y circulant, il n'est guère envisageable d'arrêter le<br />réseau. De nombreux paramètres sont à prendre en compte afin de déterminer ce<br />que sera une bonne solution, et plusieurs métriques peuvent être utilisées<br />pour mesurer la qualité d'une solution.<br /><br />Dans une première partie, nous nous intéressons au problème de la<br />reconfiguration comme problème d'optimisation mono-objectif. Nous proposons un<br />modèle mathématique permettant de représenter le problème. Cependant, le<br />résoudre exactement peut être très coûteux en temps de calcul. Nous proposons<br />également une heuristique gloutonne et une heuristique basée sur le recuit<br />simulé. Les solutions obtenues présentent différentes caractéristiques selon<br />la métrique optimisée. L'algorithme glouton est rapide et trouve des solutions<br />décentes. L'algorithme du recuit simulé obtient des solutions qui sont<br />comparables aux solutions optimales.<br /><br />Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l'aspect multiobjectif du<br />problème. Il consiste à considérer simultanément les différentes métriques et<br />rechercher un ensemble de solutions représentant différents compromis<br />intéressants. Puis nous proposons un algorithme basé sur notre modélisation<br />mathématique. Nous adaptons également un algorithme évolutif. Donner une<br />certaine flexibilité par rapport à une métrique permet généralement<br />d'améliorer de manière significative les solutions obtenues par rapport aux<br />autres métriques.

Les tubes à onde progressive (TOP) sont des dispositifs où une onde électromagnétique interagit avec un faisceau d'électrons le long d'une structure à onde lente. Ils sont de nos jours utilisés comme amplificateurs de signaux hyperfréquences, et constituent par ailleurs un outil particulièrement simple et robuste pour étudier l'interaction onde-particule.<br /><br />Le fonctionnement des TOP est aujourd'hui majoritairement simulé en utilisant une approche fréquentielle. Cette approche suppose que l'on ait défini a priori les fréquences qui entrent en jeu dans la dynamique du TOP, ce qui limite son application aux régimes stationnaires.<br /><br />Motivée par le besoin de simuler les régimes non-stationnaires des TOP, cette thèse propose de recourir à une approche en domaine temporel. Deux méthodes pour modéliser la structure à onde lente sont montrées : <br />1. L'utilisation d'un circuit équivalent.<br />2. L'utilisation d'une méthode de « réduction de modèle ».<br />Chaque méthode est étudiée, puis implémentée et essayée sur des exemples physiques.

Cette thèse étudie l'encodage de l'information sensorielle par les cellules relais du bulbe olfactif avec une approche associant analyse de données expérimentales et modélisation informatique. Le bulbe olfactif est principalement constitué de neurones excitateurs, dits cellules mitrales, interconnectés via des inter-neurones inhibiteurs, dits cellules granulaires.<br /><br />Dans un premier temps, l'analyse de données expérimentales recueillies en condition in vitro dans des tranches de bulbe olfactif de rats révèle le caractère phasé des potentiels d'action des cellules mitrales relativement aux oscillations du potentiel de champ local. Ce phasage est largement atténué lorsque l'on bloque pharmacologiquement l'inhibition provenant des granules, mettant ainsi en évidence le rôle primordial de l'inhibition synaptique. Afin d'extraire le décours temporel de la conductance synaptique inhibitrice, nous proposons une nouvelle méthode basée sur l'ajustement d'un modèle de neurone associé à l'injection de bloqueurs synaptiques. Grâce à celle-ci, nous observons que les fluctuations de la conductance synaptique inhibitrice sont corrélées à celles mesurées sur le potentiel de champ local. Une relation entre l'inhibition reçue et la phase des potentiels d'action est également dévoilée. Un neurone aura plus de chance d'émettre en phase s'il reçoit un nombre important d'événements synaptiques inhibiteurs et si ces événements sont eux-même phasés.<br /><br />Dans un deuxième temps, les résultats de cette analyse sont rassemblés au sein d'un modèle informatique de bulbe olfactif afin d'explorer les capacités de codage de l'interaction mitrale-granule. Après avoir montré que le transfert d'information des cellules mitrales semble plus résider dans leurs instants précis d'émission de potentiels d'action au cours des oscillations que dans leurs fréquences de décharges, nous étudions analytiquement l'influence du nombre d'événements synaptiques inhibiteurs reçus et de leur dispersion temporelle sur la précision de l'activité des cellules mitrales. Notre étude conclut que la robustesse du code produit par les cellules mitrales lors des oscillations du réseau est conditionnée par une forte interaction synaptique entre les cellules mitrales et les cellules granulaires. En dernier lieu, nous appliquons notre modèle de bulbe olfactif pour reconnaître des odeurs à l'aide d'une matrice de capteurs de gaz artificiels.

L'objet de cette thèse est l'étude théorique et la mise en oeuvre numérique de l'approche variationnelle des lois de Griffith (rupture fragile) et de Paris (fatigue) pour la propagation de fissures. Cette approche est basée sur un principe de moindre énergie. L'énergie totale d'une structure est la somme de l'énergie élastique et d'un potentiel de dissipation. En rupture fragile avec une énergie de surface de type Griffith, ce potentiel est proportionnel à la surface de l'ensemble des fissures. La propagation de fissures par fatigue dans le cas d'une lois de type Paris est obtenue en utilisant comme potentiel de dissipation une fonction puissance de la surface de fissuration.<br />La régularisation de ces énergies en vue d'une implémentation numérique amène à des modèles d'endommagement non-locaux (i.e. ceux dont l'énergie contient des termes avec gradient d'endommagement).<br />Dans un premier temps, à travers l'exemple unidimensionnel de la barre en traction, une étude comparative est faite sur différentes familles de modèles d'endommagement. Nous avons mis en évidence que ces modèles d'endommagement se comportent différemment en termes de minima-locaux. Il s'avère que la relation contrainte-déformation ne suffit pas à définir une loi de comportement mais qu'une autre relation reliant la stabilité des solutions homogènes à la taille du domaine s'avère tout aussi essentielle.<br />Nous avons ensuite éliminé la symétrie de comportement en traction-compression pour prendre en compte la non interpénétration des lèvres des fissures. Ce résultat est obtenu en ne faisant porter l'endommagement que sur la partie en traction et en cisaillement de l'énergie de déformation.<br />Enfin, nous avons présenté la formulation variationnelle de la fatigue de type Paris que nous avons implémenté numériquement en utilisant des modèles d'endommagement non-locaux.<br />Des résultats numériques sont présentés et discutés aussi bien dans le cadre de la rupture fragile que dans celui de la rupture par fatigue.

Cette thèse présente un système de suivi automatique des gestes labiaux à partir d'une séquence vidéo d'un locuteur. Le système combine une analyse ascendante et descendante de la forme des lèvres. Une première étape d'analyse chromatique, basée sur un apprentissage statistique, fournit une image en niveaux de gris où le contraste entre lèvres et peau est rehaussé. Parallèlement, un modèle linéaire 3D des gestes labiaux est appris pour un locuteur à partir de formes clés phonétiquement pertinentes. Le modèle est alors synthétisé et projeté sur l'image imposant a priori les caractéristiques de la forme des lèvres. Il est adapté sur l'image rehaussée des lèvres par optimisation de ses paramètres de contrôle. Ce système combine ainsi de manière hybride la précision de l'analyse chromatique et la robustesse imposée par le modèle. Ce système est évalué sous divers aspects : ses capacités à s'adapter à la morphologie labiale et aux stratégies articulatoire de plusieurs locuteurs, la qualité des mesures géométriques délivrées et sa rapidité d'analyse. Le système complet a été implanté et testé en langage C sur une station de travail monoprocesseur. L'exécution est évaluée en nombre d'instructions à partir du code machine généré par le compilateur du système de la station. Ces résultats ont permis d'identifier les zones critiques de traitement pour lesquels des optimisations sont proposées. Compte tenu de ces optimisations, il apparaît que la cadence de 50 images par seconde est alors accessible sans avoir recours à une implantation matérielle spécialisée.