Cette thèse s’intéresse à la problématique de l’adaptation automatique de services dans ledomaine de l’intelligence ambiante. L’étude de la littérature montre que la sensibilité aucontexte est devenue un élément central pour la conception et la mise en place de servicesadaptatifs. Cependant, sa prise en compte se limite généralement à des descriptionsélémentaires de situations ou à des modèles prédéfinis. Afin de permettre une adaptation auxchangements d’habitudes des utilisateurs, à la dynamique de l’environnement et àl’hétérogénéité des sources de perception, nous proposons des mécanismes de découverte decontexte et de situations déclencheurs d’adaptation. Ces mécanismes s’appuient sur destechniques de fouille de données et sont intégrés au sein d’une architecture d’adaptationautomatique de services. Ces travaux ont été réalisés et appliqués à des projets d’intelligenceambiante pour de l’assistance à des personnes et plus particulièrement dans le cadre du projetITEA- MIDAS. / This thesis addresses the problem of dynamic adaptation of services in the context of ambientintelligence applications. Literature study shows how context-awareness plays a central rolein the design and implementation of adaptive services. However, its use is still limited toelementary descriptions and predefined situational models. Dynamic adaptation should becapable of following user habits to yield dynamic answers to environmental change, and tosupport heterogeneous sources of context. To this end, we propose mechanisms to discovercontexts and situations that trigger adaptation. These mechanisms rely on data miningtechniques, and are integrated within an architecture for dynamic adaptation of services. Thiswork was carried out and applied to ambient intelligence projects for the elderly, providingsupport and assistance in their daily lives, particularly in the context of the ITEA-MIDASproject.

L’Intelligence Ambiamte (AmI) est un domaine de recherche investigant les techniques d’intelligence artificielle pour créer des environnements réactifs. Les réseaux de capteurs et effecteurs sans-fils sont les supports de communication entre les appareils ménagers, les services installés et les interfaces homme-machine. Cette thèse s’intéresse à la conception d’Environements Réactifs avec des propriétés autonomiques i.e. des systèmes qui ont la capacité de se gérer eux-même. De tels environements sont ouverts, à grande échelle, dynamique et hétérogène, ce qui induit certains problèmes pour leur gestion par des systèmes monolithiques. L’approche proposée est bio-inspirée en considérant chacune des plate-formes comme une cellule indépendente formant un organisme intelligent distribué. Chaque cellule est programmée par un processus ADN-RNA décrit par des règles réactives décrivant leur comportement interne et externe. Ces règles sont modelées par des agents mobiles ayant des capacités d’auto-réécriture et offrant ainsi des possibilités de reprogrammation dynamique. Le framework EMMA est composé d’un middleware modulaire avec une architecture orientée ressource basée sur la technologie 6LoWPAN et d’une architecture MAPE-K pour concevoir des AmI à plusieurs échelles. Les différentes relations entre les problèmes techniques et les besoins théoriques sont discutées dans cette thèse depuis les plate-formes, le réseau, le middleware, les agents mobiles, le déploiement des applications jusqu’au système intelligent. Deux algorithmes pour AmI sont proposés : un modèle de contrôleur neuronal artificiel pour le contrôle automatique des appareils ménagers avec des processus d’apprentissage ainsi qu’une procédure de vote distribuée pour synchroniser les décisions de plusieurs composants systèmes. / AThe Ambient Intelligence (AmI) is a research area investigating AI techniques to create Responsive Environments (RE). Wireless Sensor and Actor Network (WSAN) are the supports for communications between the appliances, the deployed services and Human Computer Interface (HCI). This thesis focuses on the design of RE with autonomic properties i.e. system that have the ability to manage themselves. Such environments are open, large scale, dynamic and heterogeneous which induce some difficulties in their management by monolithic system. The bio-inspired proposal considers all devices like independent cells forming an intelligent distributed organism. Each cell is programmed by a DNA-RNA process composed of reactive rules describing its internal and external behaviour. These rules are modelled by reactive agents with self-rewriting features offering dynamic reprogramming abilities. The EMMA framework is composed of a modular Resource Oriented Architecture (ROA) Middleware based on IPv6 LoW Power Wireless Area Networks (6LoWPAN) technology and a MAPE-K architecture to design multi-scale AmI. The different relations between technical issues and theoretical requirements are discussed through the platforms, the network, the middleware, the mobile agents, the application deployment to the intelligent system. Two algorithms for AmI are proposed: an Artificial Neural Controller (ANC) model for automatic control of appliances with learning processes and a distributed Voting Procedures (VP) to synchronize the decisions of several system components over the WSAN.

Tirant parti de notre expérience avec une approche traditionnelle des environnements d'assistance ambiante (AAL) qui repose sur l'utilisation de nombreuses technologies hétérogènes dans les déploiements, cette thèse étudie la possibilité d'une approche simplifiée et complémentaire, ou seul un sous-ensemble hardware réduit est déployé, initiant un transfert de complexité vers le côté logiciel. Axé sur les aspects de raisonnement dans les systèmes AAL, ce travail a permis à la proposition d'un moteur d'inférence sémantique adapté à l'utilisation particulière à ces systèmes, répondant ainsi à un besoin de la communauté scientifique. Prenant en compte la grossière granularité des données situationnelles disponible avec une telle approche, un ensemble de règles dédiées avec des stratégies d'inférence adaptées est proposé, implémenté et validé en utilisant ce moteur. Un mécanisme de raisonnement sémantique novateur est proposé sur la base d'une architecture de raisonnement inspiré du système cognitif. Enfin, le système de raisonnement est intégré dans un framework de provision de services sensible au contexte, se chargeant de l'intelligence vis-à-vis des données contextuelles en effectuant un traitement des événements en direct par des manipulations ontologiques complexes. L’ensemble du système est validé par des déploiements in-situ dans une maison de retraite ainsi que dans des maisons privées, ce qui en soi est remarquable dans un domaine de recherche principalement cantonné aux laboratoires / Leveraging our experience with the traditional approach to ambient assisted living (AAL) which relies on a large spread of heterogeneous technologies in deployments, this thesis studies the possibility of a more “stripped down” and complementary approach, where only a reduced hardware subset is deployed, probing a transfer of complexity towards the software side, and enhancing the large scale deployability of the solution. Focused on the reasoning aspects in AAL systems, this work has allowed the finding of a suitable semantic inference engine for the peculiar use in these systems, responding to a need in this scientific community. Considering the coarse granularity of situational data available, dedicated rule-sets with adapted inference strategies are proposed, implemented, and validated using this engine. A novel semantic reasoning mechanism is proposed based on a cognitively inspired reasoning architecture. Finally, the whole reasoning system is integrated in a fully featured context-aware service framework, powering its context awareness by performing live event processing through complex ontological manipulation. the overall system is validated through in-situ deployments in a nursing home as well as private homes over a few months period, which itself is noticeable in a mainly laboratory-bound research domain

Recent years have seen an influx of medical technologies capable of remotely monitoring the health and behaviours of individuals to detect, manage and prevent health problems. Known collectively as personal health monitoring (PHM), these systems are intended to supplement medical care with health monitoring outside traditional care environments such as hospitals, ranging in complexity from mobile devices to complex networks of sensors measuring physiological parameters and behaviours. This research project assesses the potential ethical implications of PHM as an emerging medical technology, amenable to anticipatory action intended to prevent or mitigate problematic ethical issues in the future. PHM fundamentally changes how medical care can be delivered: patients can be monitored and consulted at a distance, eliminating opportunities for face-to-face actions and potentially undermining the importance of social, emotional and psychological aspects of medical care. The norms evident in this movement may clash with existing standards of 'good' medical practice from the perspective of patients, clinicians and institutions. By relating utilitarianism, virtue ethics and theories of surveillance to Habermas' concept of colonisation of the lifeworld, a conceptual framework is created which can explain how PHM may be allowed to change medicine as a practice in an ethically problematic way. The framework relates the inhibition of virtuous behaviour among practitioners of medicine, understood as a moral practice, to the movement in medicine towards remote monitoring. To assess the explanatory power of the conceptual framework and expand its borders, a qualitative interview empirical study with potential users of PHM in England is carried out. Recognising that the inherent uncertainty of the future undermines the validity of empirical research, a novel epistemological framework based in Habermas' discourse ethics is created to justify the empirical study. By developing Habermas' concept of translation into a procedure for assessing the credibility of uncertain normative claims about the future, a novel methodology for empirical ethical assessment of emerging technologies is created and tested. Various methods of analysis are employed, including review of academic discourses, empirical and theoretical analyses of the moral potential of PHM. Recommendations are made concerning ethical issues in the deployment and design of PHM systems, analysis and application of PHM data, and the shortcomings of existing research and protection mechanisms in responding to potential ethical implications of the technology.

L'objectif de cette thèse est de concevoir une architecture de services Web pour la dé-termination automatique d’un système de capteurs personnalisé, embarqué sous forme de vêtement intelligent dédié au self-care, afin de permettre à tout utilisateur profane d'enregistrer lui-même son propre électrocardiogramme (ECG), à tout moment et n’importe où. Le défi principal réside dans l'orchestration intelligente et dynamique de services métiers en fonction du contexte, pour qu’ils fournissent à l'utilisateur une solution personnalisée optimale tout en maîtrisant la complexité inhérente à la dépendance au contexte des interactions homme-machine, à l'extraction des connaissances des signes vitaux spécifiques à un sujet, et à l'automatisation de la reconfiguration des services. Une solution à ce défi est de créer une intelligence ambiante qui étend la notion d'informatique ubiquitaire et est capable d’offrir à l’instar d’un expert du domaine, une assistance intelligente personnalisée à tout citoyen. Nous proposons une méthodologie de construction d'une architecture DM-SOA orientée-services, dirigée à la fois par les données et par des modèles, pour la production de services métiers intelligents et tenant compte du contexte. Cette architecture permet l’automatisation d’activités sophistiquées et personnalisées qu’un expert mettrait en œuvre pour le traitement d’un cas individuel, à partir de ses connaissances professionnelles. La solution proposée est basée sur une nouvelle approche de modélisation dynamique de processus métiers, et l’implémentation de services reconfigurables automatiquement. Elle consiste à mettre en œuvre un environnement intelligent fondé sur une ontologie de processus métiers des concepts du domaine et de son contexte, et sur une base de règles pour l'orchestration contextuelle des services. Pour valider le bien-fondé de notre approche, nous avons proposé une ontologie pour l’automatisation de processus d’aide à la décision et nous l’avons évaluée dans le domaine de la cardiologie, en l’appliquant au problème de la sélection la plus adéquate possible d’un système de positionnement d’électrodes, spécifique à chaque individu, et capable de fournir un signal ECG de contenu diagnostique similaire à celui d'un ECG standard à 12 dérivations. Pour répondre aux besoins en situation de self-care tout en préservant la qualité diagnostique des signaux enregistrés à la demande, nous proposons la réalisation d’un nouveau système prototype de capture ECG-3D à trois modalités. Ce prototype a été testé sur huit jeunes adultes volontaires sains (4 hommes et 4 femmes) présentant diverses caractéristiques morphologiques. L'intelligence ambiante est fournie par un ensemble de services de qualité professionnelle, prêts à l’emploi par des utilisateurs profanes. Ces services peuvent être accessibles au travail, n’importe où, via des moyens classiquement utilisés chaque jour, et fournissent une aide appropriée aux utilisateurs non-compétents. / The aim of the thesis is to design a web services architecture that shall support the automatic determination of a personalised sensor-system, which is embedded in smart garments, and which shall be used in self-care in order to allow a profane user to record himself a personal electrocardiogram (ECG), at anytime and anywhere. The main challenge consists in the intelligent and dynamic orchestration of context-aware business services that supply the user with an optimal personalised solution, while mastering the system’s complexity: context dependent user and system interactions, knowledge extraction from subject-specific vital signs, services reconfiguration automation. The solution to this challenge is to create an Ambient Intelligence which goes beyond Ubiquitous Computing and is capable to replace an expert by proposing an Intelligent Assistance to any citizen. We propose a methodology expressed in terms of Data and Model driven Service Oriented Architecture (DM-SOA), which provides a framework for the production of context-aware intelligent business services. This architecture supports the automation of sophisticated and personalised expert activities, which apply professional knowledge to process an individual case. The proposed solution is based on a new dynamic business process modelling approach and in its implementation via automatically reconfigurable services. It consists in setting-up an intelligent environment based on a business process ontology of context-aware concepts and on related context handling rules for services orchestration. A core-ontology has been designed to support the automation of expert activities related to decision-making. The soundness of the method and of the underlying decision-making techniques has been demonstrated in the cardiology domain for selecting the most adequate subject-specific sensor-system, characterised by its ability to yield for an ECG signal of similar diagnostic content than a standard 12-lead ECG. We propose the design of a new three modalities sensor-system prototype as a response to the need of sensor-systems used on demand in self-care situations and ensuring diagnostic quality signals recordings. This prototype has been tested on a set of healthy volunteers presenting various characteristics in age, sex and morphology. In this context, Ambient Intelligence is demonstrated as an ensemble of professional quality services ready to use by profane users. These services are accessible pervasively, trough the objects people work with / wear on / use each day, and provide an appropriate guidance to the non-competent users. Such an Ambient Intelligence approach strongly supports the vision of an Information Society which corresponds to the long-term goal of the EU Information Society Technologies Research Programme that aims to ease knowledge access. The future healthcare will benefit from this approach and will significantly improve patient care.

Orientador: Alexandre César Rodrigues da Silva / Resumo: O reconhecimento de atividades humanas abrange diversas técnicas de classificação que permitem identificar padrões específicos do comportamento humano no momento da ocorrência. A identificação é realizada analisando dados gerados por diversos sensores corporais, entre os quais destaca-se o acelerômetro, pois responde tanto à frequência como à intensidade dos movimentos. A identificação de atividades é uma área bastante explorada. Porém, existem desafios que necessitam ser superados, podendo-se mencionar a necessidade de sistemas leves, de fácil uso e aceitação por parte dos usuários e que cumpram com requerimentos de consumo de energia e de processamento de grandes quantidades de dados. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento do Sistema de Reconhecimento de atividades Humanas e Avaliação do Equilíbrio Postural, denominado SIRAH. O sistema está baseado no uso de um acelerômetro localizado na cintura do usuário. As duas fases do reconhecimento de atividades são apresentadas, fase Offline e fase Online. A fase Offline trata do treinamento de uma rede neural artificial do tipo perceptron de três camadas. No treinamento foram avaliados três estudos de caso com conjuntos de atributos diferentes, visando medir o desempenho do classificador na diferenciação de 3 posturas e 4 atividades. No primeiro caso o treinamento foi realizado com 15 atributos, gerados no domínio do tempo, com os que a rede neural artificial alcançou uma precisão de 94,40%. No segundo caso foram gerados 34 ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Cette thèse traite du problème du développement d'espaces intelligents par l'utilisateur final sous l'angle de l'Interaction Homme-Machine et de l'Intelligence Ambiante. Dans les processus actuels de développement, l'utilisateur est un consommateur contraint par un système pensé et réalisé par d'autres. L'objectif de cette thèse est de redonner le pouvoir à l'utilisateur final par le biais d'outils adaptés au développement d'espaces intelligents. Cette thèse retient l'habitat intelligent comme lieu de vie privilégié. Ses contributions incluent : (1) DisQo (Dispositifs du QuOtidien), une nouvelle méthode d'investigation des besoins, réalisable au domicile de familles, qui sollicite l'imagination et assure un juste équilibre entre contrôle expérimental, respect de la sphère privée et validité écologique des résultats ; (2) Un espace de classification pour une lecture comparative systématique et synthétique des outils portant sur le développement et la programmation d'habitats intelligents. Cette taxonomie met en évidence le peu d'avancées en édition multisyntaxe de même pour l'aide à la mise au point de programmes ; (3) KISS (Knit Your Ideas into Smart Spaces), un outil de programmation et de mise au point dont le langage de programmation est de type déclaratif orienté règles, avec potentiel d'égale opportunité syntaxique entre langue française pseudonaturelle (LPN) et langage visuel iconique. La technique d'interaction de construction des programmes LPN s'appuie sur l'utilisation de menus dont les options sont calculées dynamiquement assurant ainsi la découverte progressive du langage ainsi que l'extensibilité et la correction syntaxique et sémantique des programmes. La mise au point peut se pratiquer, au choix, dans le monde physique ou dans un monde dual numérique. L'évaluation de KISS dans DOMUS, un habitat intelligent d'expérimentation, montre que les utilisateurs parviennent à programmer un scénario réaliste de la vie réelle. / This dissertation addresses the problem of end-user development for smart spaces from a human-computer interaction perspective in the context of ambient intelligence. End-users are currently doomed to be consumers of systems that have been designed and implemented by others. The goal of this thesis is to provide end-users with tools that will enable them to develop their own smart spaces. This work focuses on the home as a key place for smartness. The contribution of this doctoral research is threefold: (1) DisQo, a new method for field studies that combines several techniques to reach a satisfying balance between experimental control, privacy issues, and ecological validity. Its key element is for observers to be able to “visit” people homes through the pictures of intimate objects taken by the participants themselves and to use these pictures as playful cultural probes to envision future use; (2) A problem space that makes explicit the functional coverage (as well as the limits) of the tools from the state of the art in the area of end-user development for smart homes. In particular, the problem space reveals a lack of support for multi-syntax editing as well as for testing and debugging programs; (3) KISS (Knit your Ideas into Smart Spaces), an end-user development tool that uses a declarative rule-based programming paradigm where programs are expressed in a French pseudo-natural language with potentiality for syntactic equal opportunity with an iconic visual language. Programs are constructed by selecting items from pull down menus that are dynamically updated with the functionalities of the smart home. By so doing, the end-user can learn the programming language incrementally and specify programs that are semantically and syntactically correct. Programs can be tested either in a virtual home or in a real home. The evaluation of KISS in the DOMUS experimental platform, shows that users are able to program a real-life scenario.

Hospital environments are ranked as one of the most stressful contemporary work environments for their employees, and this especially concerns nurses (Nejati et al. 2016). One of the core problems comprises the notion that the current technology adopted in hospitals does not support the mobile nature of medical work and the complex work environment, in which people and information are distributed (Bardram 2003). The employment of inadequate technology and the strenuous access to information results in a decrease in efficiency regarding the fulfilment of medical tasks, and puts a strain on the attention of the medical personnel. This thesis proposes a solution to the aforementioned problems through the design of ambient displays, that inform the medical personnel with the health statuses of patients whilst requiring minimal allocation of attention. The ambient displays concede a hierarchy of information, where the most essential information encompasses an overview of patients’ vital signs. Data regarding the vital signs are measured by biometric sensors and are embodied by shape-changing interfaces, of which the ambient displays consist. User-authentication permits the medical personnel to access a deeper layer within the hierarchy of information, entailing clinical data such as patient EMRs, after gesture-based interaction with the ambient display. The additional clinical information is retrieved on the user’s PDA, and can subsequently be viewed in more detail, or modified at any place within the hospital.In this thesis, prototypes of shape-changing interfaces were designed and evaluated in a hospital environment. The evaluation was focused on the interaction design and user-experience of the shape-changing interface, the capabilities of the ambient displays to inform users through peripheral awareness, as well as the remote communication between patient and healthcare professional through biometric data. The evaluations indicated that the required attention allocated for the acquisition of information from the shape-changing interface was minimal. The interaction with the ambient display, as well as with the PDA when accessing additional clinical data, was deemed intuitive, yet comprised a short learning curve. Furthermore, the evaluations in situ pointed out that for optimised communication through the ambient displays, an overview of the health statuses of approximately eight patients should be displayed, and placed in the corridors of the hospital ward.