Afin de répondre à une complexité croissante des systèmes de calcul, de nouveaux paradigmes architecturaux basés sur des structures auto-adaptatives et auto-organisées sont à élaborer. Ces derniers doivent permettre la mise à disposition d’une puissance de calcul suffisante tout en bénéficiant d’une grande flexibilité et d’une grande adaptabilité, cela dans le but de répondre aux évolutions des traitements distribués caractérisant le contexte évolutif du fonctionnement des systèmes. Ces travaux de thèse proposent une nouvelle approche de conception des systèmes communicants, auto-organisés et auto-adaptatifs basés sur des noeuds de calcul reconfigurable. Autrement dit, ces travaux proposent un système matériel autonome et intelligent, capable de déployer et de redéployer ses modules de calcul, en temps réel et en fonction de la demande de traitement et de la puissance de calcul. L’aboutissement de ces travaux se traduit par la réalisation d’un Système Auto-organisé Reconfigurable (SAR) basé sur la technologie FPGA. L’architecture auto-adaptative proposée permet d’étudier l’impact des systèmes reconfigurables dans une structure distribuée et auto-organisée. Le système est réalisé pour étudier, à chaque niveau, les paramètres qui influencent les performances globales d’un réseau de calcul évolutif. L’étude de l’état de l’art a permis la mise en perspective et la formalisation des caractéristiques du concept d’auto-organisation matérielle proposé ainsi qu’une évaluation et une analyse de ces performances. Les résultats de ces travaux montrent la faisabilité d’un système complexe de calcul distribué dont l’intelligence repose sur les interactions des éléments reconfigurables le constituant / Increasing needs of computation power, flexibility and interoperability are making systems more and more difficult to integrate and to control. The high number of possible configurations, alternative design decisions or the integration of additional functionalities in a working system cannot be done only at the design stage any more. In this context, where the evolution of networked systems is extremely fast, different concepts are studied with the objective to provide more autonomy and more computing power. This work proposes a new approach for the utilization of reconfigurable hardware in a self-organised context. A concept and a working system are presented as Reconfigurable Self-Organised Systems (RSS). The proposed hardware architecture aims to study the impact of reconfigurable FPGA based systems in a self-organised networked environment and partial reconfiguration is used to implement hardware accelerators at runtime. The proposed system is designed to observe, at each level, the parameters that impact on the performances of the networked self-adaptive nodes. The results presented here aim to assess how reconfigurable computing can be efficiently used to design a complex networked computing system and the state of the art allowed to enlighten and formalise characteristics of the proposed self-organised hardware concept. Its evaluation and the analysis of its performances were possible using a custom board: the Potsdam Intelligent Camera System (PICSy). It is a complete implementation from the electronic board to the control application. To complete the work, measurements and observations allow analysis of this realisation and contribute to the common knowledge

Malgré des avantages certains en terme d'adaptabilité et en gain de surface, la reconfiguration dynamique sur FPGA a du mal à être utilisée dans l'industrie. Le manque de moyens et de méthodes d'évaluation d'une telle architecture en est la cause majeure. Pire, aucun outil officiel ne permet aux développeurs de déterminer facilement un ordonnancement de la reconfiguration adapté pour une architecture donnée. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et propose une méthodologie de modélisation SystemC d'architectures reconfigurables dynamiquement. Cet outil d'aide à la conception permet de faire gagner un temps considérable lors de la phase de conception en fournissant une première estimation des performances et des ressources nécessaires au développement de l'architecture. Il permet également le développement et la validation de scénarios d'ordonnancement de la reconfiguration, tout en respectant les contraintes temps réel liées à l'application. Afin de valider notre modèle sur une application réelle, des IP de transcodage vidéo ont été développées et seront détaillées. Cette application consiste en la réalisation d'un transcodeur H.264/MPEG-2, rendu auto-adaptable grâce à l'utilisation de la reconfiguration dynamique. Ces travaux ont été menés dans le cadre du projet ARDMAHN financé par l'Agence Nationale de la Recherche portant la référence ANR-09-SEGI-001 / Despite clear benefits in terms of fexibility and surface efficiency, dynamic reconfiguration of FPGAs is still finding it hard to break through into massive industrial project. One of the main reasons is the lack of means and methods for evaluation of reconfigurable architectures. Worse, main FPGA vendors do not provide official tools allowing developers to easily determine an optimal scheduling reconfiguration for a specific architecture. Within this framework, the proposed research work described in this thesis proposes a methodology for modeling dynamically reconfigurable architectures based on SystemC. The proposed methodology allows designers to save significant time during the design phases of an application specific reconfigurable architecture by providing an initial estimate of performance and resources needed for its development. It also allows development and validation of scheduling reconfiguration scenarios, while respecting real-time constraints associated with the given application. To validate our methodology on a real application, video transcoding IP have been developed and tested. This application consists in the realization of a H.264/MPEG-2 transcoder made self-adaptable through the use of dynamic reconfiguration. This work was conducted as a part of the ARDMAHN project sponsored by the National Research Agency (Agence Nationale de Recheche) with the reference number ANR-09-SEGI-001

Les défis actuels du développement des systèmes embarqués<br />complexes tels que les systèmes intégrés de traitement d'image,<br />consistent à réaliser avec succès des produits fiables,<br />performants, efficaces quelles que soient les conditions d'utilisation et peu<br />coûteux. Relever ces défis passe par un bon choix d'architecture, de méthodes<br />et outils adaptés aux applications visées et aux technologies cibles. Pour de<br />nombreuses applications, en particulier en télécommunication et multimédia,<br />des réalisations temps réel souple sont souvent suffisantes, c'est-à-dire des<br />implémentations visant à obtenir une qualité de service adaptée aux besoins.<br />Au lieu de s'appuyer sur des temps d'exécutions pire cas ou des séquences de<br />test souvent peu représentatives pour concevoir ces systèmes, notre approche<br />vise une plate-forme auto-adaptative capable de s'auto-configurer au cours de<br />l'exécution de l'application (donc en ligne). On peut citer comme exemples<br />d'applications le cas d'une caméra fixe de télésurveillance qui adapte ses<br />traitements en fonction de la nature des images acquises ou un terminal mobile<br />multimodal qui change de norme de transmission si la qualité du canal de<br />communication l'exige.<br />Les composants reconfigurables ont des niveaux de performances et une<br />flexibilité qui les rendent très attractifs dans un nombre croissant de<br />développements. La reconfiguration dynamique (partielle ou complète) offre la<br />possibilité de réutiliser les mêmes ressources matérielles pour une succession<br />de traitements, et ce de façon analogue à une réalisation logicielle. Nous<br />proposons une approche permettant d'allouer et d'ordonnancer dynamiquement<br />les tâches d'une application flot de données en fonction d'une estimation de<br />leurs temps d'exécution afin de respecter au mieux les contraintes de temps.<br />Cette reconfiguration en ligne nécessite des recherches de compromis<br />complexité/efficacité de l'allocation et de l'ordonnancement afin d'optimiser la<br />qualité de service et de réduire leurs coûts de réalisation.

Lors de l’installation d’une pompe à chaleur (PAC) double service (chauffage et eau chaude sanitaire (ECS)) dans le secteur résidentiel, la phase de mise en service est délicate : les paramètres à renseigner sont nombreux et non triviaux. Or, le bon fonctionnement de la PAC est très sensible à la qualité de cette étape. Quelques mauvais réglages peuvent entraîner un fonctionnement non optimal, voire un dysfonctionnement important (confort mal assuré). L’objectif de la thèse est de mettre au point une méthode de paramétrage auto-adaptatif modifiant les valeurs de « sortie d’usine » des paramètres pour les adapter au réseau d'émetteurs, à la réponse thermique du bâtiment et aux habitudes chauffage et de consommation d'ECS des occupants. Les paramètres doivent être adaptés à partir des capteurs déjà en place sur la PAC.Le travail de thèse porte d'abord sur l’identification des paramètres clés de la PAC, ceux qui influencent le plus la consommation. On en déduit quelques fonctions à optimiser : ajustement de la loi d'eau, méthode de choix des meilleures séquences de production d'ECS, anticipation de la relance du chauffage. L'objectif est de maximiser le coefficient de performance et de minimiser le recours aux appoints électriques tout en garantissant le confort. Ces objectifs sont atteints en développant des algorithmes de contrôle optimisé. Des modèles neuronaux de prévision de la réponse thermique du bâtiment, du stock d’ECS et des performances de la PAC ont été développés pour ce contrôle optimisé. Les modèles et algorithmes développés ont été validés numériquement et les performances de la PAC comparées à celles avec contrôle classique sans auto-paramétrage. Les solutions proposées ont été appliquées et testées durant une saison sur une PAC réelle sur un banc d'essai semi-virtuel (climat réel et bâtiment virtuel). / Setting control parameters of residential double service heat pumps at the time of installation and commissioning is a delicate matter. Indeed, some parameters are not trivial, there are many to be adjusted and the heat pump operations are quite sensitive to the parameters' values. Poor parameterization can lead to suboptimal heat pump operation or even to important dysfunction (harming thermal comfort).Hence, this thesis aims to develop a method for the heat pump to self-adapt the value of its control parameters. The heat pump should modify if required the "default" settings in order to adapt them to the heat emitters, to the building thermal response and to the occupancy (in terms of thermal comfort and DHW needs). For industrial reasons, this method should use on-board sensors.First, the thesis focuses on identifying the key parameters of the heat pump control, i.e. those with greatest influence on the consumption. This leads to the functions which have to be optimized: heating curve adjustment, time of DHW generation, heating setback anticipation. The objective is to maximize the coefficient of performance and minimize the use of electrical back-ups while ensuring comfort. This is achieved by developing optimized control algorithms. Thanks to forecasts models, based on neural networks, we are able to predict on a short term horizon the building thermal response, the DHW availability and the heat pump performances. The developed models and algorithms have been validated through numerical simulations, and we have evaluated the heat pump performances in comparison to a classic control. The proposed solutions were applied and tested during a heating season on a real heat pump installed in a semi-virtual test bench (real weather and virtual building).

Le développement de méthodologies permettant de fonctionnaliser aisément les surfaces est un domaine en plein essor. Nous avons synthétisé et caractérisé de nouveaux complexes de cuivre(II)-carboxylates hautement fluorophiles qui ont été utilisés pour modifier des surfaces. Ces complexes possèdent à l'état solide une très grande affinité pour l'eau, l'hydratation induisant un changement radical des propriétés magnétiques du solide. Ces complexes fluorophiles s'adsorbent très fortement sur le Téflon ou sur le verre pour conduire à des surfaces hydrophiles et coordinantes. En utilisant la chimie de coordination, les surfaces ont ensuite été fonctionnalisées. Des monocouches et des couches minces de porphyrines ont été obtenues sur le verre et sur le téflon puis caractérisées, notamment grâce à leurs propriétés optiques. / The development of methodologies to easily functionalize surfaces is a fast growing field. We have synthesized and characterized new highly fluorophilic copper(II)-carboxylate complexes that have been employed to modify surfaces. In the solid state, these complexes exhibit a high affinity for water, the hydration process inducing dramatic modifications of their magnetic properties. These fluorophilic complexes are strongly adsorbed on teflon or glass to afford hydrophilic and coordinating surfaces. Using coordination chemistry, the surfaces can than be functionalized. Porphyrins monolayers and thin layers have been prepared on glass and teflon and characterized, in particular by their optical properties.

Au cours de la dernière décennie, la complexité des applications a considérablement évolué afin de répondre aux besoins métiers émergeants. Leur conception implique une composition distribuée de composants logiciels. Ces applications fournissent des services à travers les interactions métiers maintenues par leurs composants. De telles applications sont intrinsèquement en évolution dynamique en raison de la dynamicité de leurs contextes. En effet, elles évoluent dans des environnements qui changent tout en présentant des conditions très dynamiques durant leur cycle de vie d’exécution. De tels contextes représentent une lourde charge pour les développeurs aussi bien pour leurs tâches de conception que de gestion. Cela a motivé́ le besoin de renforcer l’autonomie de gestion des applications pour les rendre moins dépendantes de l’intervention humaine en utilisant les principes de l’Informatique Autonomique. Les Systèmes Informatiques Autonomes (SIA) impliquent l’utilisation des boucles autonomiques, dédiées aux systèmes afin de les aider à accomplir leurs tâches de gestion. Ces boucles ont pour objectif d’adapter leurs systèmes à la dynamicité de leurs contextes, en se basant sur une logique d’adaptation intégrée. Cette logique est souvent donnée par des règles statiques codées manuellement. La construction de ces règles demande beaucoup de temps tout en exigeant une bonne expertise. En fait, elles nécessitent une compréhension approfondie de la dynamicité du système afin de prédire les adaptations précises à apporter à celui-ci. Par ailleurs, une telle logique ne peut envisager tous les scénarios d’adaptation possibles, donc, ne sera pas en mesure de prendre en compte des adaptations pour des situations précédemment inconnues. Les SIA devraient donc être assez sophistiqués afin de pouvoir faire face à la nature dynamique de leurs contextes et de pouvoir apprendre par eux-mêmes afin d’agir correctement dans des situations inconnues. Les SIA devraient également être capables d’apprendre de leur propre expérience passée afin de modifier leur logique d’adaptation en fonction de la dynamicité de leurs contextes. Dans ce manuscrit, nous abordons les lacunes décrites en utilisant les techniques d’Apprentissage par Renforcement (AR) afin de construire notre logique d’adaptation. Cependant, les approches fondées sur l’AR sont connues pour leur mauvaise performance lors des premières phases d’apprentissage. Cette mauvaise performance entrave leur utilisation dans le monde réel des systèmes déployés. Par conséquent, nous avons amélioré cette logique d’adaptation avec des capacités d’apprentissage plus performantes avec une approche AR en multi-pas. Notre objectif est d’optimiser la performance de l’apprentissage et de le rendre plus efficace et plus rapide, en particulier durant les premières phases d’apprentissage. Nous avons aussi proposé́ un cadriciel générique visant à aider les développeurs dans la construction d’applications auto-adaptatives. Nous avons donc proposé de transformer des applications existantes en ajoutant des capacités d’autonomie et d’apprentissage à leurs composants. La transformation consiste en l’encapsulation des composants dans des conteneurs autonomiques pour les doter du comportement auto-adaptatif nécessaire. Notre objectif est d’alléger la charge des tâches de gestion des développeurs et de leur permettre de se concentrer plus sur la logique métier de leurs applications. Les solutions proposées sont destinées à être génériques, granulaires et basées sur un standard connu, à savoir l’Architecture de Composant de Service. Enfin, nos propositions ont été évaluées et validées avec des résultats expérimentaux. Ils ont démontré leur efficacité en montrant un ajustement dynamique des applications transformées face aux dynamicités de leurs contextes en un temps beaucoup plus court comparé aux approches existantes / During the past decade, the complexity of applications has significantly scaled to satisfy the emerging business needs. Their design entails a composition of distributed and interacting software components. They provide services by means of the business interactions maintained by their components. Such applications are inherently in a dynamic evolution due to their context dynamics. Indeed, they evolve in changing environments while exhibiting highly dynamic conditions during their execution life-cycle (e.g., their load, availability, performance, etc.). Such contexts have burdened the applications developers with their design and management tasks. Subsequently, motivated the need to enforce the autonomy of their management to be less dependent on human interventions with the Autonomic Computing principles. Autonomic Computing Systems (ACS) implies the usage of autonomic loops, dedicated to help the system to achieve its management tasks. These loops main role is to adapt their associated systems to the dynamic of their contexts by acting upon an embedded adaptation logic. Most of time, this logic is given by static hand-coded rules, often concern-specific and potentially error-prone. It is undoubtedly time and effort-consuming while demanding a costly expertise. Actually, it requires a thorough understanding of the system design and dynamics to predict the accurate adaptations to bring to the system. Furthermore, such logic cannot envisage all the possible adaptation scenarios, hence, not able to take appropriate adaptations for previously unknown situations. ACS should be sophisticated enough to cope with the dynamic nature of their contexts and be able to learn on their own to properly act in unknown situations. They should also be able to learn from their past experiences and modify their adaptation logic according to their context dynamics. In this thesis manuscript, we address the described shortcomings by using Reinforcement Learning (RL) techniques to build our adaptation logic. Nevertheless, RL-based approaches are known for their poor performance during the early stages of learning. This poor performance hinders their usage in real-world deployed systems. Accordingly, we enhanced the adaptation logic with sophisticated and better-performing learning abilities with a multi-step RL approach. Our main objective is to optimize the learning performance and render it timely-efficient which considerably improves the ACS performance even during the beginning of learning phase. Thereafter, we pushed further our work by proposing a generic framework aimed to support the application developers in building self-adaptive applications. We proposed to transform existing applications by dynamically adding autonomic and learning abilities to their components. The transformation entails the encapsulation of components into autonomic containers to provide them with the needed self-adaptive behavior. The objective is to alleviate the burden of management tasks on the developers and let them focus on the business logic of their applications. The proposed solutions are intended to be generic, granular and based on a well known standard (i.e., Service Component Architecture). Finally, our proposals were evaluated and validated with experimental results. They demonstrated their effectiveness by showing a dynamic adjustment to the transformed application to its context changes in a shorter time as compared to existing approaches