Ce mémoire, réalisé dans le cadre d’une thèse sous convention CIFRE avec la société Schneider-Electric et l’Université de Lorraine à travers le laboratoire du CRAN, porte sur l’évaluation des performances temporelles des architectures de contrôle-commande distribuées sur un réseau de communication. Le besoin industriel s’exprime sous la forme d’un outil d’aide au dimensionnement des architectures en phase d’avant-vente caractérisée par une connaissance partielle de ces dernières. Le problème scientifique sous-jacent est relatif à la génération automatique des modèles servant de support à l’évaluation. En effet, l’évaluation des performances doit être réalisée pour un ensemble important d’architectures, dans un temps court, difficilement compatible avec une construction manuelle des modèles. Notre contribution porte sur la définition formelle, à l’aide de réseaux de Petri colorés et temporisés, d’un modèle « constructeur » d’architectures embarquant des mécanismes de configuration, d’instanciation et de paramétrage. Plusieurs algorithmes sont proposés pour, d’une part, construire automatiquement le modèle d’une architecture donnée, à partir d’une description formelle de sa topologie et d’une librairie de modèles d’équipements de contrôle-commande, et, d’autre part, pour générer les observateurs requis à partir d’une description formelle des performances à évaluer. Ces différents algorithmes ont été implantés dans un outil interfacé, d’une part avec l’outil Schneider de description des architectures, et, d’autre part avec le simulateur de l’outil CPN Tools qui fournit une estimation des performances via des simulations de Monte-Carlo. L’intérêt de cette approche a été illustrée sur la base de quelques architectures types fournies par la société Schneider-Electric / This PhD dissertation, supported by CIFRE convention between the company Schneider-Electric and the University of Lorraine through the CRAN laboratory, deals with the assessment of temporal performances for a networked distributed control system. The industrial need was the development of a quotation and sizing tool of industrial control architecture during pre-sales stage. This stage is characterized by limited information about the process and the customers’ needs. The underlying scientific problematic was the ability to generate automatically models serving as support for the evaluation. In fact, performance assessment is realized for a wide range of architecture during a small amount of time, which is not compliant with a manual definition of the models. Our contribution is mainly based on a formal definition of a “builder” model with Colored and Timed Petri Nets which embeds mechanisms for configuration, instantiation and parameters setting of the architecture models. Several algorithms have been proposed for firstly build automatically the architecture Petri Nets model from a formal description of the topology and from a component model library and, secondly, for generating performance observers. Theses algorithms have been implemented on a tool gathering a user interface developed by Schneider –Electric and the Petri Nets simulator called CPN Tools which provides the performance assessment through Monte-Carlo simulation. The added value of this approach has been illustrated through case studies provided by Schneider-Electric

La diversité croissante des différents agents constituant les réseaux de communication actuels ainsi que la capacité accrue des technologies concurrentes dans l’environnement réseau a conduit à la prise en compte d’une nouvelle approche distribuée de la gestion du réseau. Dans cet environnement réseau évolué, le besoin en accroissement de la bande passante et en ressources rares, s’oppose à la réduction de la consommation énergétique globale.Dans notre travail nous nous intéressons à l’application de mécanismes distribués et de méthodes d’apprentissages visant à introduire d’avantage d’autonomie dans les réseaux hétérogènes, mobiles en particulier, tout en améliorant les performances par rapport aux débits et à la qualité de service. Notre étude se concentre principalement sur l’élaboration de mécanismes distribués stochastiques et énergétiquement efficaces en profitant des capacités de calcul de tous les agents et entités du réseau. Divers outils de la théorie des jeux nous permettent de modéliser et d’étudier différents types de systèmes dont la complexité est induite par la grande taille, l’hétérogénéité et le caractère dynamique des interconnexions. Plus spécifiquement, nous utilisons des outils d’apprentissage par renforcement pour aborder des questions telles que l’attachement distribué des utilisateurs permettant une gestion dynamique, décentralisée et efficace des ressources radio. Nous combinons ensuite les procédures de sélection d’accès à des méthodes d’optimisation distribuées du type gradient stochastique, pour adresser le problème de coordination des interférences intercellulaires (ICIC) dans les réseaux LTE-A. Cette approche se base sur un contrôle de puissance dynamique conduisant à une réutilisation fractionnaire des fréquences radios. Par ailleurs nous adressons dans les réseaux décentralisés non-hiérarchiques, plus précisément les réseaux tolérants aux délais (DTNs), des méthodes décentralisées liées à la minimisation du délai de transmission de bout en bout. Dans ce cadre nous nous intéressons, en outre des équilibres de Nash, à la notion d’équilibre évolutionnairement stables dans différents contextes de jeux évolutionnaires, jeux évolutionnaires décisionnels markoviens et jeux de minorité. Enfin, la majeure partie du travail effectué se rattachant aux tests et validations par simulations,nous présentons plusieurs éléments d’implémentations et d’intégrations liés à la mise en place de plateformes de simulations et d’expérimentations / Growing diversity of agents in current communication networks and increasing capacitiesof concurrent technologies in the network environment has lead to the considerationof a novel distributed approach of the network management. In this evolvednetwork environment the increasing need for bandwidth and rare channel resources,opposes to reduction of the total energy consumption.This thesis focuses on application of distributed mechanisms and learning methodsto allow for more autonomy in the heterogeneous network, this in order to improveits performances. We are mainly interested in energy efficient stochastic mechanismsthat will operate in a distributed fashion by taking advantage of the computationalcapabilities of all the agents and entities of the network. We rely on application ofGame theory to study different types of complex systems in the distributed wirelessnetworks with dynamic interconnectivity.Specifically, we use the stochastic reinforcement learning tools to address issuessuch as, distributed user-network association that allows achieving an efficient dynamicand decentralized radio resource management. Then, we combine access selectionprocedures with distributed optimization to address the inter-cells interferencescoordination (ICIC) for LTE-advanced networks using dynamic power control and designof fractional frequency reuse mechanisms. Moreover we address in non-hierarchicalnetworks, more precisely in Delay Tolerant Networks (DTNs), decentralized methodsrelated to minimization of the end-to-end communication delay. In this framework weare interested, in addition to Nash equilibrium, to the notion of evolutionary stableequiliria in the different context of Evolutionary Games, Markov Decision EvolutionaryGames and Minority Games. As the major parts of our work includes testing andvalidations by simulations, eventually we present several implementations and integrationsmaterials for edition of simulation platforms and test beds

Cette thèse porte sur la planification des tournées de soins pour l'hospitalisation à domicile. Sous l'impulsion des différentes politiques publiques de santé mises en place en France, la demande des patients de recevoir leur traitement dans un environnement familier et sécurisant n'a cessé de croître. Faisant apparaître de nouvelles problématiques d'organisation au sein des établissements d'hospitalisation à domicile, notre travail porte sur l'optimisation de la planification des tournées de soins en considérant des contraintes médicales, logistiques et économiques. Dans un premier temps, nous étudions la planification des tournées de soins hospitaliers à domicile en portant un intérêt particulier aux contraintes de fenêtres de temps et de synchronisation des visites. En rendant ces contraintes souples, nous apportons plus de flexibilité à la modélisation du problème en définissant individuellement les souhaits des patients pour recevoir leurs soins afin d'améliorer la qualité de la planification obtenue et la satisfaction des patients. Dans un second temps, nous intégrons à notre modélisation l'équilibrage de la charge de travail du personnel soignant. Cet aspect ne doit en effet pas être négligé afin d'obtenir une certaine équité et s'assurer de l'applicabilité de notre solution. Par la suite, nous étudions le problème sous sa forme multi-objectif. La hiérarchisation des objectifs pouvant se révéler déroutante pour les décideurs, nous proposons un algorithme mémétique multi-objectif afin d'obtenir un ensemble de solutions représentant différents compromis entre les objectifs. Enfin, la dernière partie de cette thèse s'intéresse à la planification des tournées de soins hospitaliers à domicile dans un contexte multi-centre de soins. La dispersion géographique des patients sur le territoire pouvant entraîner l'ouverture de nouveaux centres de soins, l'affectation des soignants aux centres de soins devient un nouvel aspect à optimiser. Pour chaque problématique, des expériences sont réalisées afin d'évaluer la qualité de nos méthodes de résolution sur des instances de la littérature. / This thesis deals with the planning of care routes for home health care. Under the impulse of the various public health policies put in place in France, the demand for patients to receive their treatment in a familiar and safe environment has steadily increased. Revealing new organizational problems in home health care structures, our work focuses on optimizing care routes planning by considering medical, logistical and economic constraints. As a first step, we study the planning of home health care routes with a particular focus on time window and synchronization constraints. By relaxing these constraints, we bring more flexibility to problem modeling by individually defining the wishes of patients to receive their treatment in order to improve the quality of patient planning and patient satisfaction. In a second step, we integrate in our modeling the workload balancing of the caregivers. This aspect must not be neglected in order to obtain fairness and ensure the applicability of our planning. Subsequently, we study the problem in its multi-objective form. The prioritization of objectives may be confusing for the decision makers, we propose a memetic algorithm for multi-objective optimization in order to obtain a set of solutions representing various trade-offs between the objectives. Finally, the last part of this thesis focuses on the assignment of visits and caregivers to home health care centers in a multi-center configuration. The geographical dispersion of patients on the territory may lead to the opening of new centers, the assignment of caregivers to home health care centers is becoming a new aspect to optimize. For each problem, experiments are carried out in order to evaluate the quality of our solving methods on instances of the literature.

La méthodologie de modélisation adaptée a la mesure des performances des architectures parallèles repose sur la décomposition du processus de modélisation en 7 phases: formulation des objectifs, analyse du système, conception du modèle, estimation et mesure des paramétrés d'entrée du modèle, resolution du modèle, validation du modèle et utilisation du modèle pour prédire les performances du système réel

Cette thèse s'intéresse à l'impact de la mobilité sur les performances des réseaux ad hoc mobiles (MANETs en anglais). Elle comporte deux parties. La première partie de la thèse dresse un état de l'art du protocole TCP dans MANETs. La principale conclusion est que la mobilité dégrade les performances de TCP, à cause de problèmes de routage et de partitions du réseau qu'elle occasionne. Partant de ce constat, nous proposons et analysons dans la deuxième partie de la thèse des schémas de transmission qui s'appuient sur la mobilité. Plus précisément, chaque noeud peut servir de relais en l'absence de route directe entre la source et la destination. Nous nous sommes tout d'abord intéressés aux performances des noeuds relais (débit et taille moyenne des files) en utilisant le formalisme des files d'attente.<br />Un des résultats principaux est que le débit des noeuds relais est minimisé quand les noeuds bougent selon des modèles de mouvements aléatoires qui ont une distribution stationnaire uniforme de position. Pour optimiser les performances du protocole de relais à deux sauts, particulièrement le délai de transmission, nous avons ensuite étudié le cas où un paquet peut avoir plusieurs copies dans le réseau, sous l'hypothèse où ces copies ont des durées de vie limitées. Les performances (délai, énergie consommée) ont été obtenu en utilisant le formalisme des chaînes de Markov absorbantes, ainsi que des modèles fluides. Nous avons appliqué nos résultats pour optimiser la consommation d'énergie en présence de contraintes sur les délais.

Cette thèse propose des techniques numériques visant à optimiser les méthodes itératives d'évaluation de performances de modèles Markoviens. Ces techniques s'appliquent à des modèles où la matrice de transition de la chaîne de Markov associée est stockée sous un format tensoriel. Particulièrement, le formalisme des réseaux d'automates stochastiques est employé pour la description des modèles. L'évaluation de performances cherchée est la détermination de l'état stationnaire de la chaîne de Markov (\emph(résolution)). De ce fait, les propriétés de l'algèbre tensorielle généralisée sont proposées et démontrées de façon à établir la base nécessaire aux algorithmes de résolution introduits. Le principal apport de cette thèse réside dans l'efficacité des ces algorithmes, qui est obtenue avec l'accélération des méthodes itératives. Ceci est fait à deux niveaux: la réduction du coût de chaque itération; et la réduction du nombre d'itérations nécessaire à la convergence. La multiplication d'un vecteur par une matrice sous format tensoriel (produit vecteur-descripteur) est l'opération de base des itérations. L'efficacité de cette opération est le premier objectif à atteindre. Le deuxième objectif est l'implémentation des méthodes de la puissance, d'Arnoldi et GMRES dans ses versions standards et pré-conditionnées de façon a minimiser le nombre d'itérations sans trop augmenter le coût de chaque itération. La totalité des concepts introduits est alors utilisée dans le logiciel PEPS 2.0. Plusieurs exemples pratiques de modèles en réseaux d'automates stochastiques ont été mesurés sur PEPS 2.0 pour illustrer les résultats de cette thèse.

Considérons les systèmes à évènements discrets qui sont modélisables par des réseaux de Pétri du type "graphes d'évènements temporisés", Ils ont un comportement optimal (fonctionnement au plus tôt) qui peut-être calculé sans simulation par un système dynamique qui est linéaire dans l'algèbre des dïodes (max,+) ou (min,+). Le comportement asymptotique d'un tel système à évènements discrets est cyclique et les caractéristiques de ce cycle (période, délai, motif) sont analysables par un calcul de valeur propre sur la matrice de dynamique. À partir de cette formulation linéaire, une représentation externe (fonction de transfert) peut-être obtenue grâce à un calcul formel sur des séries à coefficients dans les dïodes, la fonction de transfert d'un tel système est rationnelle au sens des dïoides et est factorisable en une expression finie de polynômes.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse abordent sous différents angles très intéressants, un sujet vaste et ambitieux : l'interprétation de plans cadastraux couleurs.Dans ce contexte, notre approche se trouve à la confluence de différentes thématiques de recherche telles que le traitement du signal et des images, la reconnaissance de formes, l'intelligence artificielle et l'ingénierie des connaissances. En effet, si ces domaines scientifiques diffèrent dans leurs fondements, ils sont complémentaires et leurs apports respectifs sont indispensables pour la conception d'un système d'interprétation. Le centre du travail est le traitement automatique de documents cadastraux du 19e siècle. La problématique est traitée dans le cadre d'un projet réunissant des historiens, des géomaticiens et des informaticiens. D'une part nous avons considéré le problème sous un angle systémique, s'intéressant à toutes les étapes de la chaîne de traitements mais aussi avec un souci évident de développer des méthodologies applicables dans d'autres contextes. Les documents cadastraux ont été l'objet de nombreuses études mais nous avons su faire preuve d'une originalité certaine, mettant l'accent sur l'interprétation des documents et basant notre étude sur des modèles à base de graphes. Des propositions de traitements appropriés et de méthodologies ont été formulées. Le souci de comblé le gap sémantique entre l'image et l'interprétation a reçu dans le cas des plans cadastraux étudiés une réponse.

La performance et l'efficacité de la gestion sont devenues une préoccupation au sein de la communauté de gestion de réseaux et de services depuis maintenant. Cette préoccupation est due ssentiellement aux dimensions grandissantes de réseaux et de services, à l'intégration de plan de gestion dans le plan fonctionnel de ses réseaux et ses services et la précision qu'elle doit offrir la gestion afin d'accomplir ses tâches convenablement avec des délais raisonnables. Les études existantes qui ont tentées de quantifier la performance de la gestion présentent plusieurs limites au niveau des métriques et des méthodes employées. En effet, les principales lacunes de ces études sont l'absence de métriques standards et les caractères non comparables, non reproductibles et non représentatives de leurs méthodologies de mesure.<br /><br />Etant donné ce cadre, nous avons travaillé sur la définition d'un ensemble de métriques primaires et secondaires pour mesurer la performance d'une approche de gestion. Les métriques primaires sont regroupées en trois familles : rapidité, coût et qualité. Les métriques secondaires proposées reposent sur ces dernières et permettent de quantifier l'efficacité, le passage à l'échelle et l'incidence de la gestion. Nous avons élaboré une méthodologie pour mesurer ces métriques primaires. Afin de valider cette proposition, nous avons conçu et implanté un banc de mesure dédié à l'évaluation de performances de l'approche de gestion JMX.<br /><br /><br />La seconde partie de notre travail a porté sur l'élaboration de fines campagnes de mesures de performances de JMX. Les résultats de ces mesures, nous ont permis de caractériser le passage à l'échelle, l'incidence de la gestion sur la performance d'un système géré et les délais de l'approche JMX sous différents scénarios. Nous avons trouvé que les délais que subissent les opérations JMX suivent approximativement une distribution statistique de Weibull. Grâce à ce rapprochement, nous avons pu identifier l'effet des délais sur le comportement d'un algorithme de supervision, notamment la distorsion temporelle de la vue observée par le gestionnaire par rapport à la vue réelle du système géré.

La recherche dans le domaine des systèmes contrôlés en réseau a considérablement évolué depuis qu'Ethernet est de plus en plus utilisé en remplacement des traditionnels réseaux locaux industriels. Si ce choix d'Ethernet se justifie par sa faculté intrinsèque à supporter toutes les communications de l'entreprise (du bureau à l'atelier), il s'accorde difficilement avec les contraintes temporelles des applications de contrôle / commande distribuées. Contrairement aux réseaux de terrain, l'indéterminisme de l'accès à la voie d'Ethernet ne permet pas de garantir le respect des contraintes temporelles strictes.<br />La contribution de cette thèse est la définition d'une approche analytique permettant de majorer les délais de communication de bout en bout dans les systèmes contrôlés en réseau lorsqu'ils reposent sur une architecture Ethernet commutée. Les travaux se sont focalisés sur l'adaptation de la théorie du calcul réseau à ce type d'environnement. Dans ce cadre, cette thèse développe la modélisation d'un commutateur IEEE 802.1D ainsi qu'une méthode de calcul des délais de bout en bout basée sur l'augmentation du volume des rafales. Plusieurs expérimentations réelles ont permis de valider l'efficacité des bornes obtenues par calcul.<br />Outre l'évaluation de performances, ces travaux s'intéressent également à la Classification de Service (IEEE 802.1D/p) et à l'optimisation de l'ordonnancement des trames sur Ethernet. Cette thèse montre enfin comment une méthode d'évaluation de performances peut être utilisée pour dimensionner et optimiser la conception d'architectures Ethernet commutées.