La conception des structures multi-échelle s’appuie sur des modélisations expérimentales et prédictives. Pour accéder à des niveaux de précision élevés, ces modélisations reposent sur des campagnes expérimentales nombreuses et des développements prédictifs sophistiqués analytiques ou numériques qui intègrent des connaissances sur les paramètres d’intérêt. L’intégration de connaissances diminue l’incertitude sur les grandeurs d’intérêt et impacte de façon significative le coût de modélisation des structures multi-échelle, facteur majeur du coût de conception. Le concepteur doit alors être en mesure de maîtriser la pertinence de l’intégration de connaissances pour la prédiction des grandeurs d’intérêt et son impact sur le coût de modélisation. Les recherches menées sont structurées autour du développement d’une méthodologie d’aide à la conception sous incertitudes permettant au concepteur de choisir des combinaisons de modèles prédictifs et expérimentaux, appelées chemins de modélisation, présentant des compromis différents entre le coût de modélisation et l’incertitude sur les paramètres d’intérêt. Le travail se base sur une représentation pyramidale des modélisations expérimentales et prédictives. Les incertitudes aléatoires et épistémiques liées aux matériaux, aux modèles ainsi qu’aux tolérances géométriques sont agrégées et propagées dans la pyramide jusqu’aux grandeurs d’intérêt de la structure. Une méthode adaptative d’estimation du coût de modélisation, basée sur la logique floue, a été proposée. Le problème multi objectif visant à minimiser les incertitudes sur les paramètres d’intérêt et le coût de modélisation est résolu au moyen d’un algorithme « NSGA-II » permettant l’identification de chemins optimisés robustes. Les travaux sont appliqués au cas d’un réservoir composite épais destiné au stockage d’hydrogène. La méthodologie proposée démontre qu’il est possible de rationaliser les modélisations expérimentales et prédictives menées pour obtenir la pression d’éclatement du réservoir avec une précision maîtrisée. Dans un second temps, la méthodologie est utilisée pour obtenir des solutions de reconception sur des réservoirs présentant des volumes plus importants ou plus faibles et atteignant des pressions cibles différentes. Les chemins de modélisations robustes obtenus délivrent des solutions de dimensionnement adaptées aux exigences de reconception présentant un coût de modélisation et un niveau d’incertitude maitrisés. / The design of multi-scale structures is based on predictive and experimental modelling. To achieve a high level of precision, modelling rest on a high number of experimental tests and sophisticated analytical and numerical developments integrating all possible knowledge about the quantity of interest. Adding knowledge into models diminishes the uncertainty on quantities of interest and significantly impacts the cost of modelling, a high impact factor on the design cost. The designer must be able to control the suitability of the integration of knowledge into the prediction of quantities of interest and its impact on the cost of modelling. The research carried out in this work is structured around the development of a methodology of assistance to the design under uncertainties allowing the designer to choose combinations between several predictive and experimental models, called modelling paths, presenting different compromises between the cost of modelling and the uncertainty on quantities of interest. The work is based on a pyramidal representation of experimental and predictive modelling. Random and epistemic uncertainties related to materials, models and geometrical tolerances are aggregated and propagated in the pyramid up to the quantities of interest of the structure. An adaptive method based on fuzzy logics for estimating the cost of modelling has been proposed. The multi objective problem aiming to minimizing the uncertainties on the quantities of interest and the cost of modelling is solved by means of the « NSGA-II » genetic algorithm, allowing to identify robust optimized modelling paths. This methodology is applied to a thick composite vessel for hydrogen storage. The proposed methodology demonstrates the possibility of rationalization of experimental and predictive models carried out to obtain the burst pressure of the vessel with a controlled precision. In a second step, the methodology is used to redesign the vessel considering larger or smaller volumes and with different burst pressure targets. Robust modelling paths obtained deliver design solutions adapted to the redesign requirements with a controlled modelling cost and a managed level of uncertainty.

Cette thèse appréhende des questions scientifiques d'un point de vue de la data science, dans le cadre de l'analyse des séries temporelles issues de la locomotion en fauteuil roulant manuel (FRM). Compression et classification des séries temporelles à l'aide de DTW : l'algorithme Dynamic Time Warping (DTW) est souvent utilisé car il permet d'éviter de petites distorsions entre les séries temporelles au cours de leur alignement. Cependant, DTW produit parfois des alignements pathologiques qui se produisent, lorsque au cours de la comparaison de deux séries temporelles X et Y, un point de données de la série temporelle X est comparé à une grande sous-séquence de Y. Nous démontrons que la compression de séries temporelles à l'aide de l'approximation par morceaux (Piecewise Aggregate Approximation) (PAA) augmente considérablement la qualité de l'alignement avec DTW. Classification non supervisée de séries temporelles basée sur la distance Frobenius : Un shapelet non supervisé (U-shapelet) est une sous-séquence d'une série temporelle utilisée pour segmenter un jeu de données. Notre but est de découvrir des u-shapelets sur des séries temporelles incertaines. Pour ce faire, nous proposons un score de dissimilarité robuste à l'incertitude appelé FOTS dont le calcul est basé sur la décomposition en vecteurs propres et la comparaison des matrices d'autocorrélation de la série temporelle. Ce score est robuste à la présence d'incertitude ; il n'est pas très sensible aux changements transitoires ; il permet de saisir des relations complexes entre des séries temporelles telles que les oscillations et les tendances, et il est également bien adapté à la comparaison de séries temporelles courtes. Le score FOTS a été utilisé avec l'algorithme Scalable Unsupervised Shapelet Discovery pour le clustering de 17 jeux de données, et il a montré une amélioration substantielle de la qualité du clustering par rapport à l'indice Rand. Représentation symbolique de série temporelles cycliques basée sur les propriétés des cycliques : L'analyse des séries temporelles cycliques de la biomécanique est basée sur la comparaison des propriétés de leurs cycles. En général, les algorithmes de fouille de données ignorent cette particularité, nous proposons une représentation symbolique des séries temporelles cycliques basées sur les propriétés de cycles, appelés SAX-P. Les chaînes de caractères résultantes peuvent être comparées en utilisant la distance de distorsion temporelle dynamique (DTW). L'application de SAX-P aux moments propulsifs de trois sujets (S1, S2, S3) se déplaçant en FRM a mis en évidence de caractère asymétrique de leur propulsion. La représentation symbolique SAX-P facilite l'interprétation clinique des résultats de classification. / This thesis addresses scientific issues from a data science perspective as part of the analysis of time series from manual wheelchair locomotion (FRM).Compression and classification with Dynamic Time Warping: Dyna- mic Time Warping (DTW) is a time series alignment algorithm that is often used because it considers that it exits small distortions between time series during their alignment. However, DTW sometimes produces pathological alignments that occur when, during the comparison of two time series X and Y, one data point of the time series X is compared to a large subsequence of data points of Y. In this chapter, we demonstrate that compressing time series using Piecewise Aggregate Approximation (PAA) is a simple strategy that greatly increases the quality of the alignment with DTW. This result is particularly true for synthetic data sets.Frobenius correlation based u-shapelets discovery for time series clustering: An unsupervised shapelet (u-shapelet) is a sub-sequence of a time series used for clustering a time series dataset. The purpose of this chapter is to discover u-shapelets on uncertain time series. To achieve this goal, we propose a dissimilarity score robust to uncertainty called FOTS whose computation is based on the eigen- vector decomposition and the comparison of the autocorrelation matrices of the time series. This score is robust to the presence of uncertainty; it is not very sensitive to transient changes; it allows capturing complex relationships between time series such as oscillations and trends, and it is also well adapted to the comparison of short time series. The FOTS score has been used with the Scalable Unsupervised Shapelet Discovery algorithm for the clustering of 17 datasets, and it has shown a substantial improvement in the quality of clustering with respect to the Rand Index. This work defines a novel framework for clustering of uncertain time series.Symbolic representation of cyclic time series based on properties of cycles: The analysis of cyclic time series from bio-mechanics is based on the comparison of the properties of their cycles. As usual algorithms of time series classification ignore this particularity, we propose a symbolic representation of cyclic time series based on the properties of cycles, named SAX-P. The resulting character strings can be compared using the Dynamic Time Warping distance. The application of SAX-P to propulsive moments of three subjects (S1, S2, S3) moving in Manual Wheelchair highlight the asymmetry of their propulsion. The symbolic representation SAX-P facilitates the reading of the cyclic time series and the clinical interpretation of the classification results.

Dans ce travail de thèse, nous proposons plusieurs algorithmespermettant d'estimer des paramètres évoluant sur des groupes de Lie. Cesalgorithmes s’inscrivent de manière générale dans un cadre bayésien, ce qui nouspermet d'établir une notion d'incertitude sur les paramètres estimés. Pour ce faire,nous utilisons une généralisation de la distribution normale multivariée aux groupesde Lie, appelée distribution normale concentrée sur groupe de Lie.Dans une première partie, nous nous intéressons au problème du filtrage de Kalmanà temps discret et continu-discret où l’état et les d’observations appartiennent à desgroupes de Lie. Cette étude nous conduit à la proposition de deux filtres ; le CD-LGEKFqui permet de résoudre un problème à temps continu-discret et le D-LG-EKF quipermet de résoudre un problème à temps discret.Dans une deuxième partie, nous nous inspirons du lien entre optimisation et filtragede Kalman, qui a conduit au développement du filtrage de Kalman étendu itéré surespace euclidien, en le transposant aux groupes de Lie. Nous montrons ainsicomment obtenir une généralisation du filtre de Kalman étendu itéré aux groupes deLie, appelée LG-IEKF, ainsi qu’une généralisation du lisseur de Rauch-Tung-Striebelaux groupes de Lie, appelée LG-RTS.Finalement, dans une dernière partie, les concepts et algorithmes d’estimation surgroupes de Lie proposés dans la thèse sont utilisés dans le but de fournir dessolutions au problème de la cartographie d'un environnement à partir d'une caméramonoculaire d'une part, et au problème de la localisation d'une caméra monoculairese déplaçant dans un environnement préalablement cartographié d'autre part. / In this thesis, we derive novel parameter estimation algorithmsdedicated to parameters evolving on Lie groups. These algorithms are casted in aBayesian formalism, which allows us to establish a notion of uncertainty for theestimated parameters. To do so, a generalization of the multivariate normaldistribution to Lie groups, called concentrated normal distribution on Lie groups, isemployed.In a first part, we generalize the Continuous-Discrete Extended Kalman Filter (CDEKF),as well as the Discrete Extended Kalman Filter (D-EKF), to the case where thestate and the observations evolve on Lie groups. We obtain two novel algorithmscalled Continuous-Discrete Extended Kalman Filter on Lie Groups (CD-LG-EKF) andDiscrete Extended Kalman Filter on Lie Groups (D-LG-EKF).In a second part, we focus on bridging the gap between the formulation of intrinsicnon linear least squares criteria and Kalman filtering/smoothing on Lie groups. Wepropose a generalization of the Euclidean Iterated Extended Kalman Filter (IEKF) toLie groups, called LG-IEKF. We also derive a generalization of the Rauch-Tung-Striebel smoother (RTS), also known as Extended Kalman Smoother, to Lie groups,called LG-RTS.Finally, the concepts and algorithms presented in the thesis are employed in a seriesof applications. Firstly, we propose a novel simultaneous localization and mappingapproach. Secondly we develop an indoor camera localization framework. For thislatter purpose, we derived a novel Rao-Blackwellized particle smoother on Liegroups, which builds upon the LG-IEKF and the LG-RTS.

La maîtrise aménagiste vise à optimiser l'organisation socio-spatiale dans un contexte d'incertitude aujourd'hui prédominant. A cet égard, le « développement durable » semble être considéré comme un référentiel novateur car en renouvelant les catégories d'espace et de temps, il offre un éclairage dynamique sur la complexité territoriale contemporaine et sur la place de l'anticipation dans l'action territorialisée. Il sert ainsi de cadre aux modalités d'ajustement entre la décision des acteurs publics et l'incertitude relative aux conséquences de cette décision. En prenant appui sur les observations de terrain menées dans le cadre de la transition aménagiste que le Royaume du Maroc a entamée au début de la décennie 2000, cette thèse interroge la portée d'un ajustement conçu exclusivement sur la recherche de maîtrise. Elle propose une lecture critique des pratiques induites par le recours à ce qui se présente comme une nouvelle rhétorique de l'action, en utilisant un champ analytique doublement centré sur la gestion des inégalités socio-spatiales et sur la valeur heuristique de l'inconcevable dans le traitement du temps long, du rapport à autrui, de l'équité. Sont mobilisées à cet effet des théories sociales peu utilisées en géographie, mais qui sont ici croisées pour mieux comprendre les ressorts de la justice socio-spatiale dans un contexte de recomposition territoriale : l'approche rawlsienne de la justice ; le Care : l'approche jonasienne de l'ontologie humaine et plus généralement de l'anticipation. De ce croisement théorique ressort un système de compréhension faisant dialoguer sur le terrain la logique de l'incertitude et la logique de l'inconcevable. La thèse développe donc l'idée que le « développement durable » est une pensée transitoire, qui stimule la réflexion sur le rapport à l'ignorance dans l'action et dans la recherche de justice socio-spatiale.

Les gestionnaires forestiers sont demandeurs d'une aide à la décision pour la conservation du mélange Sapin et Epicéa en forêt de montagne. Pour répondre à leur attente, nous avons modélisé, pour les deux espèces, les fonctions démographiques (croissance, mortalité et recrutement) et les fonctions d'allométries à partir de données de terrain. Ces fonctions ont été implémentées dans un modèle de dynamique forestière afin d'améliorer les connaissances sur la dynamique naturelle des deux espèces et d'envisager des tests de scénarios sylvicoles. L'estimation statistique des paramètres des modèles a été effectuée dans un cadre bayésien hiérarchique. Elle a permis de mettre en évidence et de quantifier les différences entre espèces : le Sapin, espèce tolérante à l'ombre comparativement à l'Epicéa, est moins sensible à l'autoéclaircie, a une croissance plus forte et un taux de recrutement plus important à faibles niveaux de lumière que l'Epicéa. Les modèles développés ont pris en compte l'incertitude sur les observations et la variabilité spatio-temporelle des processus. La variabilité individuelle (ou intraspécifique) et temporelle (interannuelle et intra-individuelle) est forte et tend à égaliser la fitness des deux espèces en inversant la hiérarchie des espèces localement dans l'espace ou sporadiquement dans le temps. Les premières simulations à l'aide du simulateur Samsara2 indiquent un meilleur comportement du modèle lorsque la variabilité spatio-temporelle est inclue dans les processus. La variabilité assure une structuration en hauteur et en diamètre ainsi qu'une évolution de la surface terrière qui correspondent à des patterns plus réalistes que lorsque la variabilité n'est pas prise en compte. A l'issue des premières simulations sur un peuplement test en mélange, on observe une exclusion compétititve systématique de l'Epicéa par le Sapin. Les mécanismes égaliseurs associés à la variabilité ne parviennent pas à contrebalancer l'avantage compétitif du Sapin sur l'Epicéa. Toutefois, la dynamique transitoire du système est lente et la coexistence apparente des deux espèces peut s'étaler sur plusieurs centaines d'années.

Le présent document constitue mon mémoire d'habilitation à diriger des recherches. Il retrace mon activité scientifique de ces douze dernières années, depuis ma thèse jusqu'aux travaux réalisés en tant qu'ingénieur-chercheur du CEA Cadarache. Les deux chapitres qui structurent ce document correspondent à deux domaines de recherche relativement différents mais se référant tous les deux au traitement des incertitudes dans des problèmes d'ingénierie. Le premier chapitre établit une synthèse de mes travaux sur la propagation d'ondes hautes fréquences en milieu aléatoire. Il concerne plus spécifiquement l'étude des fluctuations statistiques des temps de trajet des ondes acoustiques en milieu aléatoire et/ou turbulent. Les nouveaux résultats obtenus concernent principalement l'introduction de l'anisotropie statistique des champs de vitesse lors de la dérivation des expressions des moments des temps en fonction de ceux du champ de vitesse des ondes. Ces travaux ont été essentiellement portés par des besoins en géophysique (exploration pétrolière et sismologie). Le second chapitre aborde le domaine de l'utilisation des techniques probabilistes pour prendre en compte les incertitudes des variables d'entrée d'un modèle numérique. Les principales applications que j'évoque dans ce chapitre relèvent du domaine de l'ingénierie nucléaire qui offre une grande variété de problématiques d'incertitude à traiter. Tout d'abord, une synthèse assez complète est réalisée sur les méthodes statistiques d'analyse de sensibilité et d'exploration globale de modèles numériques. La construction et l'exploitation d'un métamodèle (fonction mathématique peu coûteuse se substituant à un code de calcul coûteux) sont ensuite illustrées par mes travaux sur le modèle processus gaussien (krigeage). Deux thématiques complémentaires sont finalement abordées : l'estimation de quantiles élevés de réponses de codes de calcul et l'analyse de codes de calcul stochastiques. Une conclusion met en perspective ces travaux dans le contexte plus général de la simulation numérique et de l'utilisation de modèles prédictifs dans l'industrie.

Analyse des besoins en modélisation géométrique pour la robotique et définition d'un modèle approprié. Présentation du raisonnement géométrique pour l'automatisation de la préhension dans le contexte d'une tache d'assemblage et on propose une architecture de système pour la programmation automatique des robots de manipulation.

Ce travail se propose de contribuer à l'analyse des effets de l'internet sur le marché du travail français. Outre le domaine empirique, qui est peu couvert par les travaux portant sur les impacts économiques et sociaux de l'internet, l'enjeu de la thèse est d'explorer les façons dont le nouveau média modifie le format des interactions et les modes d'évaluation sur le marché du travail. Il convient, à cet égard, de compléter l'approche centrée sur les coûts de recherche d'information par une réflexion sur la coordination par les qualités. <br />En premier lieu, nous nous interrogeons sur la capacité de l'internet à réduire les frictions sur le marché du travail. D'un point de vue théorique, la baisse des coûts de recherche devrait se traduire par une amélioration du mécanisme global d'appariement ; cependant, les tests empiriques ne confirment pas ces prédictions. Ce résultat nous conduit à focaliser notre attention sur les intermédiaires du marché du travail positionnés sur l'internet. Nous nous intéressons à l'interaction stratégique des intermédiaires, dans une perspective d'économie industrielle. Nous montrons que les externalités de réseau et l'incertitude qualitative, qui jouent un rôle déterminant dans la structuration des marchés numériques du travail, engendrent des frictions. <br />Il convient, dans un deuxième temps, de considérer la façon dont les technologies de coordination construites par les intermédiaires contribuent à réduire l'incertitude à laquelle font face les agents. Nous nous appuyons sur l'analyse statistique d'un échantillon de requêtes effectuées sur un moteur de recherche d'offres d'emploi pour montrer que l'internet permet d'améliorer le niveau d'information des agents, à condition que cette information soit structurée. Or, les technologies de coordination, qui permettent de structurer l'information pour la rendre exploitable, ne sont pas ‘neutres' car elles incorporent des modes de qualification du travail. Ce questionnement est approfondi, en lien avec les institutions du marché du travail. Nous développons un cadre d'analyse de la pluralité des formes d'intermédiation numérique en explorant les investissements nécessaires pour établir et stabiliser une technologie de coordination.

En gestion de projet, les procédures de pondération sont associées à l'évaluation de paramètres intervenant dans les processus de décision. Malgré cet enjeu les outils du terrain sont très souvent peu adaptés aux exigences projet. Certains conduisent même à des résultats inexacts. Parallèlement, les solutions disponibles dans le monde de la recherche ne présentent pas toujours la souplesse nécessaire à leur exploitation immédiate sur le terrain. Ce travail de thèse apporte des éléments de réponse tant sur le plan théorique que pratique. Il s'inscrit dans le cadre plus particulier des outils dit de tri croisé. Cette désignation englobe toute méthode ramenant le problème à un ensemble de comparaisons binaires des éléments à pondérer pour simplifier la tâche du groupe de décision.<br />Nos apports consistent tout d'abord en une plus grande flexibilité dans la prise en compte des opinions des décideurs. Une formulation mathématique générale du problème est proposée ainsi que des perspectives, basées sur la logique floue, en vue d'une meilleure gestion de l'imprécision inhérente au jugement. Notre contribution se situe aussi au niveau de la détection et du traitement de l'incohérence induite par l'agrégation de comparaisons binaires comportant le plus souvent une part d'information redondante sans être nécessairement concordante. Un indicateur de cohérence original est proposé de même qu'une procédure itérative en vue de l'amélioration de cette cohérence. De plus, l'introduction de la notion d'entité votante permet d'envisager une plus grande variété de stratégies de vote et de cibler l'assistance apportée au groupe de décision. Enfin sur le plan pratique, un concept original de plate-forme de tri croisé asynchrone et réparti est proposé. Il offre une grande souplesse au niveau de la conception et de la conduite d'une procédure de tri croisé en projet. Une maquette informatique a été développée en vue de valider une partie de ses fonctionnalités.

Ce mémoire présente une recherche pour mieux traiter les problèmes d'environnement globaux en améliorant la prise en compte du risque et de l'incertitude dans les modèles numériques interdisciplinaires. La revue des approches de la décision ---utilisant ou non les probabilités subjectives--- montre que la première représentation de la précaution est le modèle de décision séquentielle. Dans ce cadre, ce texte présente les résultats du modèle intégré DIAM résolu en programmation dynamique stochastique concernant la question du tempo de l'action contre le changement climatique. La seconde partie de l'ouvrage propose une vision alternative de la précaution, basée sur le rejet de l'axiome de complétude des préférences de Savage. Cela conduit à définir un critère de décision rationnel en situation d'information imprécise. Ce critère est discuté avec la théorie des probabilités imprécises, en visant à unifier les différentes approches proposées dans la littérature (Shackle et Zadeh, Dempster et Shafer, Smets, Gilboa et Schmeidler, Walley). Les applications présentées en troisième partie concernent la causalité en épidémiologie, l'élicitation et la fusion des opinions d'experts ainsi que les règles de la prospective.