L'Assistance Ambiante est un domaine de recherche prometteur qui vise à utiliser les technologies de l'information pour venir en aide aux personnes dépendantes durant leur vie quotidienne. L'impact de ces recherches pourrait être déterminant pour de nombreux séniors ainsi que pour leurs proches. Cette discipline s'est développée régulièrement au cours des dernières années, mais tout de même plus lentement que la plupart des autres applications de l'internet des objets. Cela est dû à la complexité inhérente à l'Assistance Ambiante, qui nécessite une compréhension dynamique du contexte, ainsi que la mise en place de nombreux média de communication dans le lieu de vie de l'utilisateur. Plus précisément, les chercheurs rencontrent des difficultés avec l'étape déterminante de la reconnaissance d'activité, comme nous le montre la littérature.Mon équipe de recherche a déployé notre système dans plusieurs environnements, le plus récent consistant en une maison de retraite et trois maisons individuelles en France.Nous adoptons une approche centrée sur l'utilisateur, où l'utilisateur final définit ce qu'il attend, et nous fournit des réactions et conseils sur notre système.De cette manière, nous pouvons apprendre de nos déploiements, et obtenir des informations pour répondre aux défis de l'Assistance Ambiante, y compris la reconnaissance d'activité.Ainsi, la ligne directrice de cette thèse émerge des défis que nous avons rencontré durant nos déploiements.Au commencement de cette thèse, j'ai été confronté à la problématique concrète d'un déploiement réel de notre système.Je relate donc les besoins que nous avons vu émerger, par nos propres observations et par les retours des utilisateurs, ainsi que les problèmes techniques que nous avons rencontrés.Pour chacun de ces problèmes et besoins, je décris la solution que nous avons retenu et implémenté.Une fois le système installé, mon équipe et moi-même avons pu récolter de nombreuses données sur son fonctionnement.J'ai tout d'abord mis en place une plate-forme d'analyse de données en Assistance Ambiante, permettant un prototypage rapide lié à la reconnaissance d'activité.En tirant profit de cette plate-forme, j'ai observé le problème posé par la reconnaissance d'activité, qui est une étape critique, mais trop souvent inexacte dans ses conclusions.Pour faire face aux erreurs dans le raisonnement, je formalise la notion d'exactitude pour la reconnaissance d'activité, et fournit une méthode pour mesurer l'exactitude de notre moteur de raisonnement.Cela requiert d'abord d'observer une vérité terrain sur l'activité en cours, ou à défaut une estimation sur cette activité, d'une source autre que le raisonneur lui-même.Je cherche ensuite à améliorer la qualité de notre moteur de raisonnement.Pour y parvenir, je m'attache à regarder plus précisément certains raisonnements incorrects.J'y observe que les erreurs de raisonnement viennent parfois du fait que le raisonneur essaie d'être trop précis, ou qu'à l'inverse, il est parfois trop imprécis dans les activités qu'il infère.Je propose donc une méthode pour optimiser le moteur de raisonnement, de telle manière à ce qu'il conclue de la meilleure façon possible parmi plusieurs activités suspectées, en choisissant l'activité qui offre le meilleur compromis entre sa Précision et le risque d'Inexactitude de la part du moteur de raisonnement.Cette contribution me mène à introduire une hiérarchie entre les activités.En effet, en appliquant la méthode précédente sur un modèle hiérarchique d'activités, le raisonneur est calibré automatiquement, pour choisir à quel niveau de précision il pourra reconnaître une activité.Il va de soi que ces travaux sont validés formellement au sein de cette dissertation. / Ambient Assisted Living is a promising research area.It aims to use information technologies to assist dependent elderly people on their daily life.The impact of these technologies could be dramatic for millions of elderly people and for their caregivers.This research area has developed consistently over the past few years, although slower than most other applications of the Internet of Things.This is caused by the inner complexity of Ambient Assisted Living.Indeed, Ambient Assisted Living requires a dynamic understanding of the context, as well as the disposal of numerous communication media in the environment surrounding the end-user.More precisely, researchers face difficulties in recognizing end-users' activities, as we can observe in the literature.My research team have deployed our system in several environments, of which the most recent includes a nursing home and three houses in France.We adopt a user-centric approach, where end-users describe what they expect, and share with us their feedbacks and advices about our system.This approach guided me to identify activity recognition as a critical challenge that needs to be addressed for the usability and acceptability of Ambient Assisted Living solutions.Thus, the guiding line of this thesis work emerges naturally from the challenges we encountered during our deployments.In the beginning of this thesis, I have been facing the practical problem of putting into place an actual deployment of our system.In this document, I describe the needs that emerged from our own observations and from the users feedbacks, as well from as the technical problems we encountered.For each of these problems and needs, I describe the solution we have selected and implemented.From our deployments, my team and I were able to collect a large amount of operating data.I have created a platform to analyze Ambient Assisted Living data, also to allow rapid prototyping for activity recognition.By using this platform, I have observed problems with activity recognition, which is too often misleading and inaccurate.A first observation is that the sensor events are sometimes disturbed by multiuser situations, when several persons are active in the home.Activity recognition in these conditions is extremely difficult, and during this thesis my scope is solely focused on detecting multiuser situations, not recognizing activities in such situations.I then seek to improve the quality of our reasoning engine.To do so, I have looked more precisely at some incorrect reasoning.I observed that the errors in reasoning come from the fact that the reasoner tries to be too precise or that, conversely, it infers too imprecise activities.I therefore propose a method to optimize the reasoning engine, so that it concludes with the best possible activity among several possible activities, by choosing the one that offers the best compromise between Precision and the risk of Inaccuracy in activity recognition.It should be noted that this contribution is independent of the method used for activity recognition, and can work with any type of reasoning.I have formalized the concept of Accuracy, and provided a method to measure the Accuracy of a reasoning engine.This requires first to observe a ground-truth on the activity being performed.This contribution brought me to introduce a hierarchical model for activities.Indeed, by applying the method described above on a hierarchical model of activities, the reasoning engine can be calibrated automatically to choose how precise it should be at recognizing an activity.It goes without saying that these contributions are formally validated through this dissertation.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l'intelligence ambiante (Ambient Intelligence - AmI). Les systèmes AmI sont des systèmes interactifs composés de plusieurs éléments hétérogènes. Principalement : les capteurs et les effecteurs.D'un point de vue fonctionnel, l'objectif des systèmes AmI est d'activer certains effecteurs, sur la base des mesures des capteurs. Toutefois, les capteurs et les effecteurs peuvent subir des défaillances. Notre motivation dans cette thèse est de munir les systèmes AmI de capacités d'auto-détection des pannes.Les ressources physiques ne sont pas nécessairement connues au moment de la conception, mais elles sont plutôt découvertes dynamiquement lors de l'exécution. Il est donc impossible d’appliquer les techniques classiques pour prédéterminer des boucles de régulation ad-hoc.Nous proposons une nouvelle approche où la stratégie de détection de défaillances est déterminée dynamiquement lors de l'exécution. Pour cela, les couplages entre capteurs et effecteurs sont déduits automatiquement lors de l’exécution. Ceci est rendu possible par la modélisation des caractéristiques des capteurs, des effecteurs, ainsi que des phénomènes physiques (que nous appelons effets) qui sont attendus dans l'environnement ambiant suite à une action d’un effecteur. Ces effets sont utilisés en run-time pour lier les effecteurs (produisant les effets) avec les capteurs correspondants (détectant ces effets). Nous introduisons une plateforme de détection des pannes qui génère à l’exécution un modèle de prédiction des valeurs attendues sur les capteurs. Ce modèle, de nature hétérogène (il mêle flots de données et automates finis) est exécuté par un outil adapté (ModHel’X) de façon à fournir les valeurs attendues à chaque instant. Notre plateforme compare alors ces valeurs avec les valeurs réellement mesurées de façon à détecter les défaillances. / This thesis takes place in the field of Ambient Intelligence (AmI). AmI Systems are interactive systems composed of many heterogeneous components. From a hardware perspective these components can be divided into two main classes: sensors, using which the system observes its surroundings, and actuators, through which the system acts upon its surroundings in order to execute specific tasks.From a functional point of view, the goal of AmI Systems is to activate some actuators, based on data provided by some sensors. However, sensors and actuators may suffer failures. Our motivation in this thesis is to equip ambient systems with self fault detection capabilities. One of the particularities of AmI systems is that instances of physical resources (mainly sensors and actuators) are not necessarily known at design time; instead they are dynamically discovered at run-time. In consequence, one could not apply classical control theory to pre-determine closed control loops using the available sensors. We propose an approach in which the fault detection and diagnosis in AmI systems is dynamically done at run-time, while decoupling actuators and sensors at design time. We introduce a Fault Detection and Diagnosis framework modeling the generic characteristics of actuators and sensors, and the physical effects that are expected on the physical environment when a given action is performed by the system's actuators. These effects are then used at run-time to link actuators (that produce them) with the corresponding sensors (that detect them). Most importantly the mathematical model describing each effect allows the calculation of the expected readings of sensors. Comparing the predicted values with the actual values provided by sensors allows us to achieve fault-detection.

Cette thèse explore les capacités d’une intelligence ambiante équipée d’un réseau de capteurs de pression au sol. Elle traite le problème de la perception d’un environnement au travers un réseau de capteurs de basse résolution. Les difficultés incluent l’interpretation des poids dispersés pour des objets avec multiples supports, l’ambiguïté de poids entre des objets, la variation du poids des personnes pendant les activités dynamiques, etc. Nous introduisons des nouvelles techniques, partiellement inspirées du domaine de la vision par l’ordinateur, pour la détection, le suivi et la reconnaissance des entités qui se trouvent sur le sol. Nous introduisons également des nouveaux modes d’interaction entre les environnements équipés de tels capteurs aux sols, et les robots qui évoluent dans ces environnements. Ceci permet l’interprétation non-intrusive des événements qui ont lieu dans des environnements dotés d’une intelligence ambiante, avec des applications dans l’assistance automatisée à domicile, l’aide aux personnes âgées, le diagnostic continu de la santé, la sécurité, et la navigation robotique / This thesis explores the capabilities of an ambient intelligence equipped with a load-sensing floor. It deals with the problem of perceiving the environment through a network of low-resolution sensors. Challenges include the interpretation of spread loads for objects with multiple points of support, weight ambiguities between objects, variation of persons’ weight during dynamic activities, etc. We introduce new techniques, partly inspired from the field of computer vision, for detecting, tracking and recognizing the entities located on the floor. We also introduce new modes of interaction between environments equipped with such floor sensors and robots evolving inside them. This enables non-intrusive interpretation of events happening inside environments with embedded ambient intelligence, with applications in assisted living, senile care, continuous health diagnosis, home security, and robotic navigation

La Maison Intelligente est une résidence équipée de technologie informatique qui assiste ses habitants dans les situations diverses de la vie domestique en essayant de gérer de manière optimale leur confort et leur sécurité par action sur la maison. La détection des situations anormales est un des points essentiels d'un système de surveillance à domicile. Ces situations peuvent être détectées en analysant les primitives générées par les étages de traitement audio et par les capteurs de l'appartement. Par exemple, la détection de cris et de bruits sourds (chute d'un objet lourd) dans un intervalle de temps réduit permet d'inférer l'occurrence d'une chute. Le but des travaux de cette thèse est la réalisation d'un contrôleur intelligent relié à tous les périphériques de la maison et capable de réagir aux demandes de l'habitant (par commande vocale) et de reconnaître des situations à risque ou de détresse. Pour accomplir cet objectif, il est nécessaire de représenter formellement et raisonner sur des informa- tions, le plus souvent temporelles, à des niveaux d'abstraction différents. Le principal défi est le traitement de l'incertitude, de l'imprécision, et de l'incomplétude, qui caractérisent les informations dans ce domaine d'application. Par ailleurs, les décisions prises par le contrôleur doivent tenir compte du contexte dans lequel un ordre est donné, ce qui nous place dans l'informatique sensible au contexte. Le contexte est composé des informations de haut niveau telles que la localisation, l'activité en cours de réalisation, la période de la journée. Les recherches présentées dans ce manuscrit peuvent être divisées principalement en trois axes : la réalisation des méthodes d'inférence pour acquérir les informations du contexte (notamment, la localisation de l'habitant et l'activité en cours) à partir des informations incertaines, la représentation des connaissances sur l'environnement et les situations à risque, et finalement la prise de décision à partir des informations contextuelles. La dernière partie du manuscrit expose les résultats de la validation des méthodes proposées par des évaluations menées sur la plateforme expérimentale Domus.

Cette thèse porte sur la Conception Centrée Valeur (CCV) proposé par Gilbert Cockton dans le but d'aller au-delà de l'utilisabilité dans les systèmes interactifs. L'auteur propose un canevas pour la mise en oeuvre de la CCV. Cependant, les opérationnalisations restent partielles et sont réalisées par lui-même, d'où un manque de recul de la communauté vis-à-vis de la méthode. La thèse relate la conception centrée valeur de Cocoon, un système d'information mobile et sensible au contexte. Elle apporte des contributions à la fois sur les plans conceptuel et méthodologique. D'un point de vue conceptuel, elle introduit la taxonomie PIPE (Personnelle, Impersonnelle, Pérenne, Éphémère) pour la caractérisation de l'information. En outre, elle montre que les systèmes existants ne couvrent pas PIPE : ils sont surtout focalisés sur les informations impersonnelles. Alors, la thèse propose le concept d'arbre de vie et Cocoon. D'un point de vue méthodologique, la thèse apporte une compréhension meilleure de la notion de valeur. En outre, elle fournit un retour d'expérience sur la CCV accompagné de remarques et recommandations pour des mises en oeuvres futures plus performantes. Enfin, elle propose un canevas pour la construction des cartes de valeur et une stratégie pour l'estimation de la valeur. / The thesis deals with Worth Centered Design (WCD) introduced by Gilbert Cockton. The author also introduced a framework aimed to support the WCD operationalization. However, this framework has been operationalized only partially until now and by Gilbert Cockton himself. The thesis relates our WCD experience with Cocoon, a mobile and context-aware information system. The thesis contributions are both conceptual and methodological. From a conceptual point of view, we introduce the PIPE (Personal, Impersonal, Perennial, Ephemeral) taxonomy for information characterization and show that existing systems only partially covers the PIPE information space: they focus on impersonal information. This notice motivated us to propose the life tree concept and Cocoon. From a methodological point of view, we offer a feedback to the community on an interesting concept method as well as recommendations for more efficient operationalizations. In addition, we introduce a framework for worth maps construction and a strategy for worth assessment.

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

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

Les systèmes complexes, naturels et artificiels, ont reçu récemment une attention renouvelée : les systèmes naturels, notamment biologiques, du fait de la nécessité de les appréhender dans une démarche systémique ; les systèmes artificiels, du fait de la dématérialisation de l'ordinateur amorcée avec l'informatique ubiquitaire. L'art, de son côté, explore depuis toujours le détournement des dernières avancées scientifiques et technologiques pour la création d'oeuvres singulières. Le travail mené depuis dix ans se situe à la croisée de ces chemins, dans le cadre unificateur des systèmes multi-agents. Je me suis intéressé plus particulièrement à l'interaction homme-machine dans le contexte de l'informatique ambiante, dans l'idée d'une construction automatique et d'une régulation dynamique de systèmes d'interaction. Ce travail est alimenté par la recherche menée dans le cadre de la simulation à base d'agents, aussi bien du point de vue des concepts et outils développés, que du point de vue de l'inspiration tirée des mécanismes d'auto-organisation et de régulation des systèmes étudiés. L'art fournit quant à lui un cadre expérimental original par la mise en scène métaphorique, dans des performances numériques interactives, des situations étudiées.

La progression rapide de la technologie a donné lieu à un panorama riche et varié de dispositifs numériques : caméra, téléphones mobiles, GPS, tablettes tactiles, liseuses numériques, robots, télévisions, éléments de domotique... La majorité de ces appareils sont aujourd'hui connectés à Internet. Et en plus de leurs fonctionnalités principales, ils permettent à leur propriétaire de rester en contact avec " le monde " à l'aide de logiciels de communication, de personnages virtuels ou de robots. Tous ces dispositifs numériques fonctionnent indépendamment les uns des autres. La question qui se pose est de savoir si ces dispositifs numériques doivent être coordonnés afin de partager certaines informations et effectuer certaines actions ensembles. Cette collaboration entre les dispositifs numériques est gérée par le Compagnon Artificiel qui est en contact permanent avec un utilisateur par les biais des divers dispositifs numériques. Une architecture modulaire ArCo permettant de mettre en place un Compagnon Artificiel a été réalisée dans le cadre de ce travail. Les dispositifs numériques sont gérés par des modules spécifiques, créés grâce à un cadriciel MICE (Machines Interaction Control in their Environment). L'utilisateur final du système peut programmer des scenarii d'interaction, qui indiquent les actions que doivent effectuer les dispositifs numériques, grâce à une interface de programmation visuelle AmbiProg. Chaque scénario est interprété par un module AmbiLive. Les conflits d'accès aux dispositifs numériques sont gérés par un module AmbiCop. Un ensemble d'évaluations a permis de valider expérimentalement l'architecture ArCo et de répondre à des problématiques d'interaction homme-machine.

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