Cette thèse est consacrée au problème de la planification et de l'ordonnancement des tâches sous contraintes temporelles et incertitude. Les contraintes temporelles que nous traitons sont de deux types : qualitatives et quantitatives. L'incertitude sur la durée des tâches se traduit par une distribution de probabilités sur un ensemble fini.<br />Les tâches et les contraintes sont représentées à l'aide d'un graphe ET/OU et les durées des tâches sont pondérées par des probabilités d'exécution. Celles-ci expriment une incertitude sur la connaissance exacte des durées d'exécution des tâches qui ne seront réellement connues que lors de l'exécution effective. Ainsi, une tâche s'exécute durant l'une de ses durées d'exécution possibles avec la probabilité associée à celle-ci. Étant donné ce graphe, notre objectif est de déterminer un plan de tâches qui satisfait toutes les contraintes et qui répond aux critères de choix exigés par l'utilisateur en terme de temps, de coût et de probabilité. L'application de ce plan doit garantir le monde de façon que le but soit atteint tout en satisfaisant les contraintes du domaine.<br />Nous avons appliqué notre méthode de planification à un cas pratique relativement complexe qui concerne la planification d'un ensemble d'agents travaillant ensemble dans un lieu afin d'atteindre un but donné tout en respectant les délais et les contraintes du domaine (temps, coût, probabilité, disponibilité, spécialité,...).

Cette thèse porte sur un certain nombre de problèmes algorithmiques motivés par la planification temporelle automatisée et la vérification formelle des systèmes réactifs et finis. Nous nous sommes concentrés sur les méthodes théoriques des jeux pour obtenir de nouvelles connaissances, des limites de complexité améliorées et des algorithmes plus rapides pour les modèles suivants: réseaux temporels hyper, réseaux conditionnels Simples / Hyper temporels, jeux de mise à jour, jeux Muller McNaughton et jeux Mean Payoff / This dissertation deals with a number of algorithmic problems motivated by automated temporal planning and formal verification of reactive and finite state systems. We focused on game theoretical methods to obtain novel insights, improved complexity bounds, and faster algorithms for the following models: Hyper Temporal Networks, Conditional Simple/Hyper Temporal Networks, Update Games, Muller McNaughton Games, and Mean Payoff Games

Les travaux de cette thèse ont pour cadre l'édition de documents électroniques multimédia en considérant en tout premier lieu leur dimension temporelle (enchaînement des objets dans le temps). L'objectif concerne à la fois l'intégration de cette nouvelle dimension dans la structure globale d'un document (logique, spatiale et hypertexte) et l'intégration d'objets de base qui ont eux-mêmes une dimension temporelle (vidéo, audio, interactions de l'utilisateur ..). Les documents visés sont donc multimédia, temporisés et interactifs. Notre étude a porté tout d'abord sur la définition d'un langage temporel multimédia. Celui-ci permet de spécifier, de façon déclarative, le scénario temporel d'un document en s'appuyant sur des résultats obtenus dans le domaine de la satisfaction de contraintes temporelles et de la planification. Nous avons ensuite conçu des mécanismes d'analyse qui permettent la vérification de la cohérence d'une spécification tout en prenant en compte trois aspects essentiels aux systèmes multimédia : l'incrémentalité, l'efficacité, et la gestion de l'indéterminisme. Nous proposons des mécanismes de synthèse qui permettent alors le calcul d'une solution qui sera exploitée par le système de présentation. Celui-ci permet, à partir d'un automate d'états finis extrait du graphe temporel de contraintes, d'exécuter la présentation multimédia et de contrôler dynamiquement son déroulement. Enfin, nous présentons l'ensemble des résultats à travers leur application concrète au sein d'un outil d'édition et de présentation appelé Madeus.

Un automate temporisé est un automate augmenté avec plusieurs horloges qui mesurent le passage de temps et peuvent conditionner la modification de l'état du système. Les automates temporisés ont été introduits en tant que modèle formel pour les systèmes temps-réel, en espérant que leur rôle dans la vérification de tels systèmes sera similaire au rôle des automates finis dans la recherche systématique des erreurs de conception de systèmes non-temporisés. Dans notre thèse nous étudions plusieurs questions théoriques liés aux automates temporisés et aux langages temporisés. Dans une première partie nous étudions une sous-classe simple d'automates temporisés à une seule horloge qui est remise à zéro pendant chaque transition. Nous montrons que cette sous-classe supporte des résultats similaires à la théorie classique des automates finis: des théorèmes de Kleene, de Myhill-Nerode et de fermeture par complémentation. La deuxième et principale partie de la thèse est motivée par les expressions régulières temporisés de Asarin, Caspi et Maler. Depuis leur introduction, on sait qu'il faut employer l'intersection dans les expressions régulières pour que leur expressivité soit égale aux automates temporisés. Nous poursuivons alors une approche alternative en utilisant des parenthèses colorées pour définir les contraintes temporelles sur une séquence d'événements. Cette idée aboutit à une représentation alternative des langage des automates temporisés, basée sur une nouvelle classe de langages formels que nous appelons . Nous développons alors la théorie des expressions régulières sur les regminos et nous montrons que le problème de sémantique vide est indécidable en cas général, et décidable pour une sous-classe large de langages. L'application de ces résultats nous amène à des nouvelles structures de données et à des algorithmes pour le problème du langage vide dans les automates temporisés et les expressions régulières.

L’accroissement des profits, à travers l’amélioration de la productivité et la réduction des pertes de matières, représente un objectif primordial pour les entreprises industrielles. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la résolution d’un problème industriel complexe réel avec des contraintes de temps. Nous nous sommes intéressés, tout d’abord, à un objectif principal, soit la minimisation des dates de fin de production, suivi d’un objectif secondaire qui est la minimisation des quantités de déchets non recyclables. Dans un premier temps, nous avons modéliséle problème par des modèles mathématiques, que nous avons résolu à l’aide d’un solveur. Dans un second temps, nous avons proposé une méthode approchée en forme d’algorithmes évolutionnistes. Cette méthode est appliquée aux deux objectifs mentionnés ci-dessus séparément. Une troisième méthode est ensuite appliquée à l’objectif principal, à savoir une méthode arborescente approchée. Nous avons testé les algorithmes proposés sur des instances inspirées d’un cas réel ; issues d’une entreprise du secteur agroalimentaire et sur des instances inspirées de la littérature. / Increasing profits, through the improvement of productivity and minimizing waste, is a primary objective for industrial companies. In this thesis, we are interested insolving a real complex industrial problem with time constraints. Firstly, we were interested in minimizing completion time (Cmax). Secondly, we focused on minimizing of non-recyclable waste. As a first step, we formulated the problem by mathematical models, which we solved using a solver. In a second step, we proposed an approximate method in the form of evolutionary algorithms. Both methods were applied to the two objectives mentioned above separately. Then, a third method which is a tree-search algorithm was applied only to the main objective. We tested the proposed algorithms on instances inspired from a real case; from an agri-food business, and also on instances inspired from the literature.

L'objectif de cette thèse est de contribuer à l'élaboration de méthodes d'aide à la conception de systèmes coopératifs en prenant en compte les contraintes temporelles de manière quantitative. L'approche développée est fondée sur les réseaux de Petri, la logique linéaire et les graphes de contraintes temporelles. C'est une approche orientée « événements » et non orientée « états » comme c'est souvent le cas dans les approches fondées sur les réseaux de Petri. Elle est décomposée en deux étapes : une étape d'analyse « qualitative » et une étape d'analyse « quantitative ». La première consiste à obtenir les relations de causalité entre les événements appartenant à un scénario donné. L'équivalence entre un arbre de preuve en logique linéaire et le processus fini obtenu par dépliage d'un réseau de Petri à partir du même marquage initial montre que ces relations sont des relations de précédence. L'introduction de la notion de séquent caractéristique permet de mettre en Suvre une approche compositionnelle des processus à partir des règles du calcul des séquents. La deuxième étape consiste à passer du graphe décrivant les relations de précédence à un graphe de contraintes temporelles exprimant de façon linéaire l'ensemble des contraintes temporelles quantitatives que doivent vérifier les dates des franchissements des transitions dans un scénario. Il devient ainsi possible d'exploiter tous les résultats des techniques classiques d'analyse et de propagation de contraintes. Cette démarche est complètement cohérente avec les réseaux de Petri p-temporels mais difficilement compatible avec les t-temporels car ils engendrent des ensembles de contraintes qui sont plus complexes. Nous avons illustré cette démarche par un problème simple d'ordonnancement de documents multimédias. Nous avons par la suite montré comment, pour les réseaux de Petri t-temporels, nous pouvions calculer les dates de franchissements et les durées de séjour des jetons dans les places en restant sous une fo rme symbolique dans le cadre de la sémantique faible.

Actuellement, des systèmes complets, contenant une partie logicielle et une partie matérielle, sont intégrés sur une même puce nommée Système-sur-Silicium (SoC). Pour faire face à la complexité d'intégration et maîtriser les contraintes, les équipes de recherche proposent de nouvelles méthodologies de conception qui reposent sur (1) la réutilisation de blocs logiciels ou matériels préconçus (Composant Virtuel VC, Intellectual Property IP), (2) sur l'élévation du niveau de description des applications (System-Level Design) et (3) sur l'orthogonalisation de différents aspects (fonctionnalité/architecture, calculs/communication, besoins/contraintes/choix d'implantation). Malheureusement la difficulté de réutilisation liée au niveau de description RTL (Register Transfer Level), auquel sont fournis les IPs, ne permet pas une intégration aisée et optimisée. Ainsi, les méthodologies d'intégration à base d'adaptateurs additionnels sont souvent inadaptées aux contraintes et à la spécificité des algorithmes utilisés dans le domaine du traitement du signal et de l'image (TDSI). Elles peuvent de ce fait aboutir à la violation des contraintes en terme de surface, consommation et performances du système. La synthèse de l'unité de traitement (UT) est réalisée à l'aide de l'outil GAUT (Générateur Automatique d'Unité de Traitement) dont l'ordonnancement est contraint par les paramètres temporel de l'intégrateur du composant virtuel. La synthèse de l'UT génère un ensemble de contraintes au E/S, modélisé sous la forme d'un IPERM (IP Execution Requirement Model). Ce dernier modélise (1) les dates de production et de consommation des données dans l'UT et (2) les bus sur lesquels elles transitent entre l'unité de communication et l'unité de traitement. Les modèles IPERM et IOCG sont finalement utilisés pour synthétiser l'unité de communication. Nous avons appliqué notre méthode à des algorithmes des domaines du TDSI et des Télécommunications. La première expérience est réalisée sur un exemple de Transformée de Fourrier Rapide (FFT). Pour les conditions d'expérimentation retenues, l'optimisation du nombre d'opérateurs est en moyenne de 20% et celle des registres de 7%, par rapport à une approche classique. La deuxième expérience utilise une Transformée en Cosinus Discrète (DCT) pour comparer les résultats, obtenus en appliquant l'approche d'intégration proposée dans ce manuscrit, avec les résultats des méthodes utilisant des adaptateurs. Pour l'exemple considéré, le gain sur les registres de communications varie de -2% à 88% à débit d'E/S constant. La dernière expérience, réalisée en partenariat industriel, démontre l'applicabilité de notre méthodologie sur un composant virtuel comportemental complexe (Maximum A Posteriori MAP) dans le contexte d'une application de Turbo décodage temps réel.<br /><br />Nous proposons dans ce mémoire une approche de réutilisation des IPs dans les applications orientées traitement du signal, de l'image et des télécommunications. Pour cela, nous basons notre approche sur la notion de composants virtuels de niveau algorithmique, définie dans le cadre des projets RNRT MILPAT (Méthodologie et Développement pour les Intellectual Properties pour Applications Telecom). Le flot de conception proposé s'inscrit dans la démarche Adéquation Algorithme Architecture du projet RNRT ALITPA (Définition et Application d'une méthodologie de développement pour les (IP) intellectual property de niveau comportemental dans les applications de télécommunication) et est basé sur l'utilisation de techniques de synthèse haut niveau sous contraintes d'intégration. Les unités fonctionnelles constituant l'architecture cible du composant sont (re)conçues en fonction des caractéristiques de l'architecture de communication du système et de la spécificité de l'application.<br /><br />Dans ce contexte, la spécification de l'IP est modélisée par un Graphe Flot de Signaux (SFG) qui, couplé aux temps de propagations des opérateurs et à la cadence d'itération, permet la génération d'un graphe de contrainte algorithmique ACG. Nous avons développé une d'analyse formelle des contraintes, qui repose sur les calculs de cycles, et permet de vérifier la cohérence entre la cadence, les dépendances de données de l'algorithme et les contraintes technologiques.<br /><br />Les contraintes d'intégration, spécifiées pour chacun des bus (ports) connectants l'IP aux autres composants du système, sont modélisées par un graphe de contraintes d'Entrée/Sortie IOCG (IO Constraint Graph) dont la sémantique est issue des travaux de Ku et De Micheli. Ce modèle supporte, entre autre, la modélisation (1) du type de transferts, (2) des varations temporelles des dates d'arrivées des données, (3) du séquencement des données échangées (4) des mécanismes liés aux protocoles. Les contraintes d'intégration et les contraintes algorithmiques de l'IP sont fusionnées pour fournir un graphe détaillé des contraintes GCG (Global Constraint Graph) exhibant les points de synchronisation entre l'environnement et le composant. Des optimisations pour l'implémentations sont proposées à partir de transformations formelles du graphe.<br /><br />La synthèse de l'unité de traitement (UT) est réalisée à l'aide de l'outil GAUT (Générateur Automatique d'Unité de Traitement) dont l'ordonnancement est contraint par les paramètres temporel de l'intégrateur du composant virtuel. La synthèse de l'UT génère un ensemble de contraintes au E/S, modélisé sous la forme d'un IPERM (IP Execution Requirement Model). Ce dernier modélise (1) les dates de production et de consommation des données dans l'UT et (2) les bus sur lesquels elles transitent entre l'unité de communication et l'unité de traitement. Les modèles IPERM et IOCG sont finalement utilisés pour synthétiser l'unité de communication.<br /><br />Nous avons appliqué notre méthode à des algorithmes des domaines du TDSI et des Télécommunications. La première expérience est réalisée sur un exemple de Transformée de Fourrier Rapide (FFT). Pour les conditions d'expérimentation retenues, l'optimisation du nombre d'opérateurs est en moyenne de 20% et celle des registres de 7%, par rapport à une approche classique. La deuxième expérience utilise une Transformée en Cosinus Discrète (DCT) pour comparer les résultats, obtenus en appliquant l'approche d'intégration proposée dans ce manuscrit, avec les résultats des méthodes utilisant des adaptateurs. Pour l'exemple considéré, le gain sur les registres de communications varie de -2% à 88% à débit d'E/S constant. La dernière expérience, réalisée en partenariat industriel, démontre l'applicabilité de notre méthodologie sur un composant virtuel comportemental complexe (Maximum A Posteriori MAP) dans le contexte d'une application de Turbo décodage temps réel.

Dans de nombreuses applications dont celles du domaine médical et de l’embarqué, l’authentification des images nécessite de prendre en compte les contraintes temporelles, le taux d’insertion, la qualité visuelle et la robustesse contre différentes attaques. Le tatouage a été proposé comme approche complémentaire à la cryptographie pour l’amélioration de la sécurité des images. Il peut être effectué soit dans le domaine spatial sur les pixels de l’image, soit dans le domaine fréquentiel sur les coefficients de sa transformée. Dans cette thèse, le but est de proposer des approches de tatouage permettant d’assurer un niveau élevé d’imperceptibilité et de robustesse, tout en maintenant un niveau de complexité répondant aux exigences d’applications soumises à des contraintes temporelles. La démarche adoptée a consisté, d’une part, à s’appuyer sur les bénéfices du zéro-tatouage (zero-watermarking) qui ne change pas la qualité perceptuelle de l’image et qui a une faible complexité computationnelle, et d’autre part, à analyser les caractéristiques visuelles de l’image afin de détecter les zones les plus adaptées pour insérer la marque avec un bon niveau d’imperceptibilité et une bonne robustesse. Une approche de zéro-tatouage a ainsi été proposée dans cette thèse, ainsi que plusieurs approches de tatouage basées sur l’analyse de caractéristiques visuelles de l’image et sur des techniques d’intelligence artificielles ou connexes.Les solutions proposées ont été analysées du point de vue de l’imperceptibilité, de la robustesse et de la performance temporelle et les résultats d’analyses ont montré qu’elles apportent des améliorations significatives par rapport aux approches existantes. / In numerous applications such as those of medical and embedded domains, images authentication requires taking into account time constraints, embedding rate, perceptual quality and robustness against various attacks. Watermarking has been proposed as a complementary approach to cryptography, for improving the security of digital images. Watermarking can be applied either in the spatial domain on the pixels of the image, or in the frequency domain on the coefficient of its transform.In this thesis, the goal is to propose image watermarking approaches that make it possible to ensure high level of imperceptibility and robustness while maintaining a level of computational complexity fitting the requirements of time-constrained applications. The method adopted in this thesis has consisted, on the one hand, to rely on the benefit of zero-watermarking that does not degrade the perceptual quality of image data and has low computational complexity, and on the other hand, to analyze visual characteristics of digital image (characteristics that are correlated to the Human Visual System - HVS) in order to identify the locations the most adapted for embedding the watermark with good level of imperceptibility and robustness. A zero-watermarking has therefore been proposed in this thesis, as well as several watermarking approaches based on the analysis of visual characteristics of image and on artificial intelligence or related techniques. The proposed solutions have been analyzed with respect to imperceptibility, robustness and temporal performance and the results have shown significant improvements in comparison to existing approaches.

Les grandes entreprises ferroviaires intègrent au niveau du matériel roulant une grande variété de systèmes complexes qui se doivent d’être fiables et ce, dès le démarrage du service commercial. Ce travail de thèse propose une méthodologie expérimentale pour l’amélioration de la robustesse d’un système prédominant, à savoir l’accès voyageurs. L'objectif est d'améliorer sa fiabilité intrinsèque dans un laps de temps raisonnable dans le cadre de projet industriel contraint par le temps. La méthodologie expérimentale proposée s’appuie sur la méthode des essais aggravés et accélérés de fiabilité, et se veut être optimisée grâce à l’utilisation de plans d’expériences D-optimaux. Après une analyse bibliographique, suivie d’une étude sur l’utilisation des plans d’expériences D-optimaux, ce travail expose les méthodes et moyens expérimentaux mis en place pour utiliser les plans d’expériences dans un contexte industriel. La dernière partie de cette thèse contient les résultats quantitatifs et qualitatifs issus des expérimentations réaliséessur le banc d'essais du système accès voyageurs développé par Bombardier. / The train manufacturer companies handle a large number of complex systems in their trains. These systems must be reliable to ensure reliability of the final product as soon the entry into commercial services. This thesis provides an experimental solution to improve robustness of a predominate system, namely passengers access system. The goal is to improve inherent reliability in a reasonable amount of time to be integrated in a project phase. This experimental method is based on testing aggravated and accelerated method temporally optimized with using of D-optimal design of experiment. After a literature review, followed by a focus on the definition and use of experimental design D-optimal, this work will present experimental methods and means used to set up the experimental design in an industrial context. The last part of this thesis contains quantitative and qualitative results performed on the passenger’s access test bench developed by Bombardier.

Les robots sous-marins peuvent aujourd'hui évoluer dans des environnements complexes difficilement accessibles à l'Homme pour des raisons de coût ou de sécurité. Ils peuvent donc intervenir dans une grande variété de missions en environnement aquatique. Or, la complexité de ces milieux impose de doter le vecteur robotique d'une autonomie opérationnelle suffisante afin qu'il puisse mener sa mission à bien tout en préservant son intégrité. Cela nécessite de développer des lois de commande répondant aux spécificités de l'application. Ces lois de commande se basent sur des connaissances provenant de différentes disciplines scientifiques ce qui souligne l'interdisciplinarité inhérente à la robotique. Une fois la loi de commande développée, il faut implémenter le contrôleur sur le robot sous forme de logiciel de contrôle basé sur une architecture logicielle temps-réel.Or la conception actuelle des lois de commande, sous forme de blocs "monolithiques", rend difficile l'évolution d'une loi de commande d'une application à l'autre, l'intégration de connaissances provenant d'autres disciplines scientifiques que ne maitrisent pas forcément les automaticiens et pénalisent son implémentation sur des architectures logicielles qui nécessitent la modularité. Pour résoudre ces problèmes nous cherchons à proprement séparer les différentes connaissances afin que chacune soit aisément manipulable, son rôle clair et que les relations établies entre les différentes connaissances soient explicites. Cela permettra en outre une projection plus efficace sur l'architecture logicielle. Nous proposons donc un nouveau formalisme de description des lois de commande selon une composition modulaire d'entités de base appelées Atomes et qui encapsulent les différents éléments de connaissance. Nous nous intéressons également à l'établissement d'une meilleure synergie entre les aspects automatique et génie logiciel qui se construit autour de préoccupations communes telles que les contraintes temporelles et la stabilité. Pour cela, nous enrichissons nos Atomes de contraintes chargées de véhiculer les informations relatives à ces aspects temporels. Nous proposons également une méthodologie basée sur notre formalisme afin de guider l'implémentation de nos stratégies de commande sur un Middleware temps-réel, dans notre cas le Middleware ContrACT développé au LIRMM.Nous illustrons notre approche par diverses fonctionnalités devant être mises en oeuvre lors de missions d'exploration de l'environnement aquatique et notamment pour l'évitement de parois lors de l'exploration d'un aquifère karstique. / Underwater robots can nowadays operate in complex environments in a broad scope of missions where the use of human divers is difficult for cost or safety reasons. However the complexity of aquatic environments requires to give the robotic vector an autonomy sufficient to perform its mission while preserving its integrity. This requires to design control laws according to application requirements. They are built on knowledge from several scientific fields, underlining the interdisciplinarity inherent to robotics. Once the control law designed, it must be implemented as a control Software working on a real-time Software architecture.Nonetheless the current conception of control laws, as "monolithic" blocks, makes difficult the adaptation of a control from an application to another and the integration of knowledge from various scientific fields which are often not fully understood by control engineers. It also penalizes the implementation of control on Software architectures, at least its modularity and evolution. To solve those problems we seek a proper separation of knowledge so that each knowledge item can be easily used, its role precisely defined and we want to reify the interactions between them. Moreover this will allow us a more efficient projection on the Software architecture. We thus propose a new formalism for control laws description as a modular composition of basic entities named Atoms used to encapsulate the knowledge items.We also aim at building a better synergy between control and software engineering based on shared concerns such as temporal constraints and stability. Hence we extend the definition of our Atoms with constraints carrying information related to their temporal behaviour. We propose as well a methodology relying on our formalism to guide the implementation of control on a real-time Middleware. We will focus on the ContrACT Middleware developed at LIRMM.Finally we illustrate our approach on several robotic functionalities that can be used during aquatic environments exploration and especially for wall avoidance during the exploration of a karst aquifer.