Le concept d'informatique ambiante propose une vision dans laquelle les êtres humains sont continuellement entourés d'une myriade d'équipements numériques susceptibles d'interagir les uns avec les autres, et bien sûr avec les utilisateurs eux-mêmes. Déployer et supporter des services complexes dans un environnement d'informatique ambiante soulève cependant quelques défis majeurs. Ainsi, la grande hétérogénéité des équipements susceptibles d'héberger ces services rend difficile la conception d'applications logicielles pouvant fonctionner sur une grande variété de plates-formes, et capables de s'adapter le cas échéant aux caractéristiques changeantes de ces plates-formes. D'autre part, assurer la communication et la coordination entre des services s'exécutant sur des équipements distincts n'est pas chose aisée lorsque tout ou partie de ces équipements sont mobiles, et ne peuvent s'appuyer pour interagir sur une infrastructure de communication fixe, stable, et performante.<br /><br />Les travaux présentés proposent des éléments de réponse aux problèmes évoqués ci-dessus. Ces travaux se déclinent selon trois axes :<br /><br />* La conception de méthodes et outils de type intergiciel permettant de doter des composants logiciels de la capacité de percevoir leur environnement d'exécution (vu comme un ensemble de ressources tant matérielles que logicielles), afin que ces composants puissent adapter dynamiquement leur comportement en fonction des caractéristiques de cet environnement, en négociant le cas échéant avec la plate-forme d'exécution qui les héberge l'accès aux ressources nécessaires à leur bon fonctionnement.<br /><br />* Le support de la communication dans un environnement constitué de terminaux mobiles assemblés en réseau ad hoc (MANET) discontinu, en l'absence de connectivité de bout en bout au sein de ce réseau. Dans ce cas précis la connectivité réseau est elle-même perçue comme une ressource particulière dont la disponibilité fluctuante est tolérée via la mise en ouvre d'un protocole reposant sur le principe de la communication opportuniste.<br /><br />* Une réflexion enfin sur la nature et les caractéristiques majeures des services applicatifs susceptibles d'être déployés sur des équipements mobiles assemblés en MANET discontinu. Cette réflexion est illustrée à travers quelques exemples concrets.

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.

Comme dans de nombreux autres domaines, la construction des applications en Informatique Ambiantes (IAm) se fait par réutilisation d'entités logicielles disponibles. Pour des raisons de conductivités, de pannes, de charge de batterie mais aussi de nombreuses autres, la disponibilité de ces entités est imprévisible ce qui implique que l'auto-adaptation dynamique des applications est une nécessité. Cela passe par la spécification en parallèle des adaptations par des experts de divers domaines. Ce parallélisme de construction, peut amener des problèmes d'interférences lors de la composition dynamique de plusieurs adaptations. Dans cette thèse, par l'utilisation de graphes, nous contribuons à la définition d'un cadre formel pour la détection et la résolution de ces interférences. L'assemblage des entités logicielles repose sur des connecteurs d'assemblage qui sont utilisés dans la spécification des adaptations. Des règles de réécriture de graphe permettront de résoudre les interférences détectées, cette résolution étant guidée par la connaissance de connecteurs définis. De plus, pour pouvoir étendre dynamiquement et automatiquement notre mécanisme de gestion des interférences, nous proposons la modélisation comportementale de ces connecteurs. Ceci permet de ne pas reposer sur une connaissance à priori des connecteurs et autorise par la même d'étendre dynamiquement l'ensemble des connecteurs disponibles pour la spécification des adaptations.

Comme dans de nombreux autres domaines, la construction des applications en Informatique Ambiantes (IAm) se fait par réutilisation d’entités logicielles disponibles. Pour des raisons de conductivités, de pannes, de charge de batterie mais aussi de nombreuses autres, la disponibilité de ces entités est imprévisible ce qui implique que l’auto-adaptation dynamique des applications est une nécessité. Cela passe par la spécification en parallèle des adaptations par des experts de divers domaines. Ce parallélisme de construction, peut amener des problèmes d’interférences lors de la composition dynamique de plusieurs adaptations. Dans cette thèse, par l’utilisation de graphes, nous contribuons à la définition d’un cadre formel pour la détection et la résolution de ces interférences. L’assemblage des entités logicielles repose sur des connecteurs d’assemblage qui sont utilisés dans la spécification des adaptations. Des règles de réécriture de graphe permettront de résoudre les interférences détectées, cette résolution étant guidée par la connaissance de connecteurs définis. De plus, pour pouvoir étendre dynamiquement et automatiquement notre mécanisme de gestion des interférences, nous proposons la modélisation comportementale de ces connecteurs. Ceci permet de ne pas reposer sur une connaissance à priori des connecteurs et autorise par la même d’étendre dynamiquement l’ensemble des connecteurs disponibles pour la spécification des adaptations. / Like many other fields, application construction in ubiquitous computing is done by reuse of available software entities. For reasons of conductivity, breakdown, battery charge, but also many others reasons, the availability of these entities is unpredictable. As consequence, the self-adaptation of applications becomes necessary. This requires the specification of parallel adaptations by experts from various fields. This parallel specification can cause interference problems when several adaptations are composed. In this thesis, using graph formalism, we contribute to the definition of a formal approach for the detection and the resolution of interferences. The specification of adaptation uses connectors in order to assemble software entities. Graph rewriting rules are defined to solve the detected interferences. This resolution is guided by the knowledge of defined connectors. In addition, in order to extend dynamically and automatically our interference management mechanism, we propose behavioral modeling of these connectors. This allows us extending our mechanism without an a priori knowledge of connectors and allows afterwards to extend the set of available connectors used for adaptations' specifications.

Ces travaux de recherche doctorale s'inscrivent dans le domaine de l'Interaction Homme-Machine (IHM) en informatique ambiante avec, comme sujet d'étude, le couplage de ressources d'interaction. Coupler deux ressources, c'est l'action de les lier de manière à ce qu'elles opèrent conjointement pour fournir de nouveaux services. En réponse au foisonnement d'exemples et de techniques d'interaction ad hoc, cette étude propose une définition formelle de la notion de couplage, un cadre analytique ainsi qu'un intergiciel pour l'expérimentation. Le cadre d'analyse inclut d'une part, une taxonomie qui permet de comprendre l'espace problème et d'identifier des pistes de recherche encore inexplorées, et d'autre part des outils formels couvrant le cycle de vie d'un couplage, la composition de couplages, et les techniques d'interaction pour que l'utilisateur puisse façonner son espace interactif par le biais de couplages.

Cette étude a trait aux systèmes interactifs sensibles au contexte, c'est-à-dire aux systèmes capables d'identifier les circonstances qui entourent l'action de l'utilisateur en vue d'offrir des services adaptés. En réponse au foisonnement de propositions sur le sujet, cette étude présente trois contributions complémentaires servant la conception amont, la conception logicielle et la mise en oeuvre : • Une définition de la notion de contexte qui doit se comprendre comme un ensemble de situations, une situation comprenant un ensemble de variables périphériques à la tâche utilisateur considérée mais susceptibles de l'influencer. On propose de distinguer le contexte système, du contexte utilisateur et leur intersection : le contexte net. • Un modèle conceptuel visant la mise en oeuvre de systèmes sensibles au contexte fondé sur la notion de contexteur. Un contexteur est une abstraction logicielle qui fournit la valeur d'un observable relevant du contexte système. Par composition de contexteurs, il est possible de construire une application sensible au contexte. • Une validation du modèle par la mise en oeuvre de contexteurs dans des exemples d'applications sensibles au contexte.

Cette thèse étudie l'acquisition automatique par apprentissage d'un modèle de contexte pour un utilisateur dans un environnement ubiquitaire. Dans un tel environnement, les dispositifs peuvent communiquer et coopérer afin de former un espace informatique cohérent. Certains appareils ont des capacités de perception, utilisées par l'environnement pour détecter la situation - le contexte - de l'utilisateur. D'autres appareils sont capables d'exécuter des actions. La problématique que nous nous sommes posée est de déterminer les associations optimales pour un utilisateur donné entre les situations et les actions. L'apprentissage apparaît comme une bonne approche car il permet de personnaliser l'environnement sans spécification explicite de la part de l'usager. Un apprentissage à vie permet, par ailleurs, de toujours s'adapter aux modifications du monde et des préférences utilisateur. L'apprentissage par renforcement est un paradigme d'apprentissage qui peut être une solution à notre problème, à condition de l'adapter aux contraintes liées à notre cadre d'application.

Les travaux pluridisciplinaires de cette thèse contribuent à deux domaines : l'Interaction Homme-Machine (IHM) et la Gérontechnologie, un nouveau domaine créé pour augmenter le développement des systèmes d'aide pour les personnes âgées. Nos travaux de recherche contribuent, principalement, à la conception participative et la réalisation ergonomique des systèmes interactifs pour des personnes âgées ayant un vieillissement réussi. Tout d'abord, pour la phase d'analyse des besoins, nous élaborons une définition de la fragilité et une identification des capacités et limitations de notre population cible. L'analyse des systèmes d'aide existants montre le besoin d'un système qui assure la communication et la sécurité pour ce type de population. Nous travaillons avec des personnes âgées et des professionnels afin de développer deux prototypes : ECOVIP et SYSPA. Le système ECOVIP, qui est le fruit principal de cette thèse est un système de communication sensible au contexte qui complète l' "Habitat Intelligent pour la Santé" du laboratoire TIMC-IMAG. Le système SYSPA permet quant à lui de sauvegarder les souvenirs sous formes de photos numériques et de commentaires correspondant aux différentes photos. A la fin de cette partie, nous présentons les avantages, les limites et les actions correctives de notre approche de conception. Nous élaborons aussi des directives ergonomiques pour des systèmes interactifs utilisables par des personnes âgées. Enfin, nous rapportons les résultats de deux séries d'expérimentations du système ECOVIP avec des personnes âgées normales et des personnes âgées atteintes de troubles cognitifs modérés.

Le développement et l’usage croissants de systèmes pervasifs, dotés de fonctionnalités et de moyens de communication de plus en plus sophistiqués, offrent de fantastiques potentialités de services, en particulier pour l’e-Santé et la télémédecine, au bénéfice de tout citoyen, patient ou professionnel de santé. L’un des challenges sociétaux actuels est de permettre une meilleure exploitation des services disponibles pour l’ensemble des acteurs impliqués dans un domaine donné. Mais la multiplicité des services offerts, la diversité fonctionnelle des systèmes, et l’hétérogénéité des besoins nécessitent l’élaboration de modèles de connaissances de ces services, des fonctions de ces systèmes et des besoins. En outre, l’hétérogénéité des environnements informatiques distribués, la disponibilité et les capacités potentielles des diverses ressources humaines et matérielles (instrumentation, services, sources de données, etc.) requises par les différentes tâches et processus, la variété des services qui fournissent des données aux utilisateurs, et les conflits d’interopérabilité entre schémas et sources de données sont autant de problématiques que nous avons à considérer au cours de nos travaux de recherche. Notre contribution vise à optimiser la qualité de services en environnement ambiant et à réaliser une exploitation intelligente de ressources ubiquitaires. Pour cela, nous proposons un méta-modèle de connaissances des principaux concepts à prendre en compte en environnement pervasif. Ce méta-modèle est basé sur des ontologies décrivant les différentes entités précitées dans un domaine donné ainsi que leurs relations. Puis, nous l’avons formalisé en utilisant un langage standard de description des connaissances. A partir de ce modèle, nous proposons alors une nouvelle méthodologie de construction d’un framework architectural, que nous avons appelé ONOF-PAS. ONOF-PAS est basé sur des modèles ontologiques, une base de règles, un moteur d’inférence, et des composants orientés objet permettant la gestion des différentes tâches et le traitement des ressources. Il s’agit d’une architecture générique, applicable à différents domaines. ONOF-PAS a la capacité d’effectuer un raisonnement à base de règles pour gérer les différents contextes d’utilisation et aider à la prise de décision dans des environnements hétérogènes dynamiques, tout en tenant compte de la disponibilité et de la capacité des ressources humaines et matérielles requises par les diverses tâches et processus exécutés par des systèmes d’information pervasifs. Enfin, nous avons instancié ONOF-PAS dans le domaine de la télémédecine pour traiter le scénario de l’orientation des patients ou de personnes victimes de problèmes de santé en environnement hostile telles que la haute montagne ou des zones géographiquement isolées. Un prototype d’implémentation de ces scénarios, appelé T-TROIE a été développé afin de valider le framework ONOF-PAS. / The growing development and use of pervasive systems, equipped with increasingly sophisticated functionalities and communication means, offer fantastic potentialities of services, particularly in the eHealth and Telemedicine domains, for the benifit of each citizen, patient or healthcare professional. One of the current societal challenges is to enable a better exploitation of the available services for all actors involved in a given domain. Nevertheless, the multiplicity of the offered services, the systems functional variety, and the heterogeneity of the needs require the development of knowledge models of these services, systems functions, and needs. In addition, the distributed computing environments heterogeneity, the availability and potential capabilities of various human and material resources (devices, services, data sources, etc.) required by the different tasks and processes, the variety of services providing users with data, the interoperability conflicts between schemas and data sources are all issues that we have to consider in our research works. Our contribution aims to empower the intelligent exploitation of ubiquitous resources and to optimize the quality of service in ambient environment. For this, we propose a knowledge meta-model of the main concepts of a pervasive environment, such as Actor, Task, Resource, Object, Service, Location, Organization, etc. This knowledge meta-model is based on ontologies describing the different aforementioned entities from a given domain and their interrelationships. We have then formalized it by using a standard language for knowledge description. After that, we have designed an architectural framework called ONOF-PAS (ONtology Oriented Framework for Pervasive Applications and Services) mainly based on ontological models, a set of rules, an inference engine, and object oriented components for tasks management and resources processing. Being generic, extensible, and applicable in different domains, ONOF-PAS has the ability to perform rule-based reasoning to handle various contexts of use and enable decision making in dynamic and heterogeneous environments while taking into account the availability and capabilities of the human and material resources required by the multiples tasks and processes executed by pervasive systems. Finally, we have instantiated ONOF-PAS in the telemedicine domain to handle the scenario of the transfer of persons victim of health problems during their presence in hostile environments such as high mountains resorts or geographically isolated areas. A prototype implementing this scenario, called T-TROIE (Telemedicine Tasks and Resources Ontologies for Inimical Environments), has been developed to validate our approach and the proposed ONOF-PAS framework.

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.