Les fichiers sons qui accompagne mon document sont au format midi. Le programme que nous avons développés pour ce travail est en language Python. / Les réseaux de neurones à réservoir, dont le principe est de combiner un vaste réseau de neurones fixes avec un apprenant ne possédant aucune forme de mémoire, ont récemment connu un gain en popularité dans les communautés d’apprentissage machine, de traitement du signal et des neurosciences computationelles. Ces réseaux qui peuvent être classés en deux catégories : 1. les réseaux à états échoïques (ESN)[29] dont les activations des neurones sont des réels 2. les machines à états liquides (LSM)[43] dont les neurones possèdent des potentiels d’actions, ont été appliqués à différentes tâches [11][64][49][45][38] dont la génération de séquences mélodiques [30]. Dans le cadre de la présente recherche, nous proposons deux nouveaux modèles à base de réseaux de neurones à réservoir. Le premier est un modèle pour la reconnaissance de rythmes utilisant deux niveaux d’apprentissage, et avec lequel nous avons été en mesure d’obtenir des résultats satisfaisants tant au niveau de la reconnaissance que de la résistance au bruit. Le second modèle sert à l’apprentissage et à la génération de séquences périodiques. Ce modèle diffère du modèle génératif classique utilisé avec les ESN à la fois au niveau de ses entrées, puisqu’il possède une Horloge, ainsi qu’au niveau de l’algorithme d’apprentissage, puisqu’il utilise un algorithme que nous avons spécialement développé pour cette tache et qui se nomme "Orbite". La combinaison de ces deux éléments, nous a permis d’obtenir de bons résultats, pour la génération, le sur-apprentissage et l’extraction de données. Nous pensons également que ce modèle ouvre une fenêtre intéressante vers la réalisation d’un orchestre entièrement virtuel et nous proposons deux architectures possibles que pourrait avoir cet orchestre. Dans la dernière partie de ce travail nous présentons les outils que nous avons développés pour faciliter notre travail de recherche. / Reservoir computing, the combination of a recurrent neural network and one or more memoryless readout units, has seen recent growth in popularity in and machine learning, signal processing and computational neurosciences. Reservoir-based methods have been successfully applied to a wide range of time series problems [11][64][49][45][38] including music [30], and usually can be found in two flavours: Echo States Networks(ESN)[29], where the reservoir is composed of mean rates neurons, and Liquid Sates Machines (LSM),[43] where the reservoir is composed of spiking neurons. In this work, we propose two new models based upon the ESN architecture. The first one is a model for rhythm recognition that uses two levels of learning and with which we have been able to get satisfying results on both recognition and noise resistance. The second one is a model for learning and generating periodic sequences, with this model we introduced a new architecture for generative models based upon ESNs where the reservoir receives inputs from a clock, as well as a new learning algorithm that we called "Orbite". By combining these two elements within our model, we were able to get good results on generation, over-fitting and data extraction. We also believe that a combination of several instances of our model can serve as a basis for the elaboration of an entirely virtual orchestra, and we propose two architectures that this orchestra may have. In the last part of this work, we briefly present the tools that we have developed during our research.

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Les réseaux de neurones à réservoir, dont le principe est de combiner un vaste réseau de neurones fixes avec un apprenant ne possédant aucune forme de mémoire, ont récemment connu un gain en popularité dans les communautés d’apprentissage machine, de traitement du signal et des neurosciences computationelles. Ces réseaux qui peuvent être classés en deux catégories : 1. les réseaux à états échoïques (ESN)[29] dont les activations des neurones sont des réels 2. les machines à états liquides (LSM)[43] dont les neurones possèdent des potentiels d’actions, ont été appliqués à différentes tâches [11][64][49][45][38] dont la génération de séquences mélodiques [30]. Dans le cadre de la présente recherche, nous proposons deux nouveaux modèles à base de réseaux de neurones à réservoir. Le premier est un modèle pour la reconnaissance de rythmes utilisant deux niveaux d’apprentissage, et avec lequel nous avons été en mesure d’obtenir des résultats satisfaisants tant au niveau de la reconnaissance que de la résistance au bruit. Le second modèle sert à l’apprentissage et à la génération de séquences périodiques. Ce modèle diffère du modèle génératif classique utilisé avec les ESN à la fois au niveau de ses entrées, puisqu’il possède une Horloge, ainsi qu’au niveau de l’algorithme d’apprentissage, puisqu’il utilise un algorithme que nous avons spécialement développé pour cette tache et qui se nomme "Orbite". La combinaison de ces deux éléments, nous a permis d’obtenir de bons résultats, pour la génération, le sur-apprentissage et l’extraction de données. Nous pensons également que ce modèle ouvre une fenêtre intéressante vers la réalisation d’un orchestre entièrement virtuel et nous proposons deux architectures possibles que pourrait avoir cet orchestre. Dans la dernière partie de ce travail nous présentons les outils que nous avons développés pour faciliter notre travail de recherche. / Reservoir computing, the combination of a recurrent neural network and one or more memoryless readout units, has seen recent growth in popularity in and machine learning, signal processing and computational neurosciences. Reservoir-based methods have been successfully applied to a wide range of time series problems [11][64][49][45][38] including music [30], and usually can be found in two flavours: Echo States Networks(ESN)[29], where the reservoir is composed of mean rates neurons, and Liquid Sates Machines (LSM),[43] where the reservoir is composed of spiking neurons. In this work, we propose two new models based upon the ESN architecture. The first one is a model for rhythm recognition that uses two levels of learning and with which we have been able to get satisfying results on both recognition and noise resistance. The second one is a model for learning and generating periodic sequences, with this model we introduced a new architecture for generative models based upon ESNs where the reservoir receives inputs from a clock, as well as a new learning algorithm that we called "Orbite". By combining these two elements within our model, we were able to get good results on generation, over-fitting and data extraction. We also believe that a combination of several instances of our model can serve as a basis for the elaboration of an entirely virtual orchestra, and we propose two architectures that this orchestra may have. In the last part of this work, we briefly present the tools that we have developed during our research. / Les fichiers sons qui accompagne mon document sont au format midi. Le programme que nous avons développés pour ce travail est en language Python.

The work in this thesis is separated into two parts. The first part deals with the load planning and sequencing problem for double-stack intermodal railcars, an operational problem found at many rail container terminals. In this problem, containers must be assigned to a platform on which the container will be loaded, and the loading order must be determined. These decisions are made with the objective of minimizing the costs associated with handling the containers, as well as minimizing the cost of containers left behind. The deterministic version of the problem can be cast as a shortest path problem on an ordered graph. This problem is challenging to solve because of the large size of the graph. We propose a two-stage heuristic based on the Iterative Deepening A* algorithm to compute solutions to the load planning and sequencing problem within a five-minute time budget. Next, we also illustrate how a Deep Q-learning algorithm can be used to heuristically solve the same problem.The second part of this thesis considers sequential models in deep learning. A recent strategy to circumvent the exploding and vanishing gradient problem in recurrent neural networks (RNNs) is to enforce recurrent weight matrices to be orthogonal or unitary. While this ensures stable dynamics during training, it comes at the cost of reduced expressivity due to the limited variety of orthogonal transformations. We propose a parameterization of RNNs, based on the Schur decomposition, that mitigates the exploding and vanishing gradient problem, while allowing for non-orthogonal recurrent weight matrices in the model. / Le travail de cette thèse est divisé en deux parties. La première partie traite du problème de planification et de séquencement des chargements de conteneurs sur des wagons, un problème opérationnel rencontré dans de nombreux terminaux ferroviaires intermodaux. Dans ce problème, les conteneurs doivent être affectés à une plate-forme sur laquelle un ou deux conteneurs seront chargés et l'ordre de chargement doit être déterminé. Ces décisions sont prises dans le but de minimiser les coûts associés à la manutention des conteneurs, ainsi que de minimiser le coût des conteneurs non chargés. La version déterministe du problème peut être formulé comme un problème de plus court chemin sur un graphe ordonné. Ce problème est difficile à résoudre en raison de la grande taille du graphe. Nous proposons une heuristique en deux étapes basée sur l'algorithme Iterative Deepening A* pour calculer des solutions au problème de planification et de séquencement de la charge dans un budget de cinq minutes. Ensuite, nous illustrons également comment un algorithme d'apprentissage Deep Q peut être utilisé pour résoudre heuristiquement le même problème. La deuxième partie de cette thèse examine les modèles séquentiels en apprentissage profond. Une stratégie récente pour contourner le problème de gradient qui explose et disparaît dans les réseaux de neurones récurrents (RNN) consiste à imposer des matrices de poids récurrentes orthogonales ou unitaires. Bien que cela assure une dynamique stable pendant l'entraînement, cela se fait au prix d'une expressivité réduite en raison de la variété limitée des transformations orthogonales. Nous proposons une paramétrisation des RNN, basée sur la décomposition de Schur, qui atténue les problèmes de gradient, tout en permettant des matrices de poids récurrentes non orthogonales dans le modèle.

Recurrent neural networks (RNN) are known for their notorious exploding and vanishing gradient problem (EVGP). This problem becomes more evident in tasks where the information needed to correctly solve them exist over long time scales, because it prevents important gradient components from being back-propagated adequately over a large number of steps. The papers written in this work formalizes gradient propagation in parametric and semi-parametric RNNs to gain a better understanding towards the source of this problem. The first paper introduces a simple stochastic algorithm (h-detach) that is specific to LSTM optimization and targeted towards addressing the EVGP problem. Using this we show significant improvements over vanilla LSTM in terms of convergence speed, robustness to seed and learning rate, and generalization on various benchmark datasets. The next paper focuses on semi-parametric RNNs and self-attentive networks. Self-attention provides a way by which a system can dynamically access past states (stored in memory) which helps in mitigating vanishing of gradients. Although useful, it is difficult to scale as the size of the computational graph grows quadratically with the number of time steps involved. In the paper we describe a relevancy screening mechanism, inspired by the cognitive process of memory consolidation, that allows for a scalable use of sparse self-attention with recurrence while ensuring good gradient propagation. / Les réseaux de neurones récurrents (RNN) sont connus pour leur problème de gradient d'explosion et de disparition notoire (EVGP). Ce problème devient plus évident dans les tâches où les informations nécessaires pour les résoudre correctement existent sur de longues échelles de temps, car il empêche les composants de gradient importants de se propager correctement sur un grand nombre d'étapes. Les articles écrits dans ce travail formalise la propagation du gradient dans les RNN paramétriques et semi-paramétriques pour mieux comprendre la source de ce problème. Le premier article présente un algorithme stochastique simple (h-detach) spécifique à l'optimisation LSTM et visant à résoudre le problème EVGP. En utilisant cela, nous montrons des améliorations significatives par rapport au LSTM vanille en termes de vitesse de convergence, de robustesse au taux d'amorçage et d'apprentissage, et de généralisation sur divers ensembles de données de référence. Le prochain article se concentre sur les RNN semi-paramétriques et les réseaux auto-attentifs. L'auto-attention fournit un moyen par lequel un système peut accéder dynamiquement aux états passés (stockés en mémoire), ce qui aide à atténuer la disparition des gradients. Bien qu'utile, il est difficile à mettre à l'échelle car la taille du graphe de calcul augmente de manière quadratique avec le nombre de pas de temps impliqués. Dans l'article, nous décrivons un mécanisme de criblage de pertinence, inspiré par le processus cognitif de consolidation de la mémoire, qui permet une utilisation évolutive de l'auto-attention clairsemée avec récurrence tout en assurant une bonne propagation du gradient.

Dans un problème de prédiction à multiples pas discrets, la prédiction à chaque instant peut dépendre de l’entrée à n’importe quel moment dans un passé lointain. Modéliser une telle dépendance à long terme est un des problèmes fondamentaux en apprentissage automatique. En théorie, les Réseaux de Neurones Récurrents (RNN) peuvent modéliser toute dépendance à long terme. En pratique, puisque la magnitude des gradients peut croître ou décroître exponentiellement avec la durée de la séquence, les RNNs ne peuvent modéliser que les dépendances à court terme. Cette thèse explore ce problème dans les réseaux de neurones récurrents et propose de nouvelles solutions pour celui-ci. Le chapitre 3 explore l’idée d’utiliser une mémoire externe pour stocker les états cachés d’un réseau à Mémoire Long et Court Terme (LSTM). En rendant l’opération d’écriture et de lecture de la mémoire externe discrète, l’architecture proposée réduit le taux de décroissance des gradients dans un LSTM. Ces opérations discrètes permettent également au réseau de créer des connexions dynamiques sur de longs intervalles de temps. Le chapitre 4 tente de caractériser cette décroissance des gradients dans un réseau de neurones récurrent et propose une nouvelle architecture récurrente qui, grâce à sa conception, réduit ce problème. L’Unité Récurrente Non-saturante (NRUs) proposée n’a pas de fonction d’activation saturante et utilise la mise à jour additive de cellules au lieu de la mise à jour multiplicative. Le chapitre 5 discute des défis de l’utilisation de réseaux de neurones récurrents dans un contexte d’apprentissage continuel, où de nouvelles tâches apparaissent au fur et à mesure. Les dépendances dans l’apprentissage continuel ne sont pas seulement contenues dans une tâche, mais sont aussi présentes entre les tâches. Ce chapitre discute de deux problèmes fondamentaux dans l’apprentissage continuel: (i) l’oubli catastrophique d’anciennes tâches et (ii) la capacité de saturation du réseau. De plus, une solution est proposée pour régler ces deux problèmes lors de l’entraînement d’un réseau de neurones récurrent. / In a multi-step prediction problem, the prediction at each time step can depend on the input at any of the previous time steps far in the past. Modelling such long-term dependencies is one of the fundamental problems in machine learning. In theory, Recurrent Neural Networks (RNNs) can model any long-term dependency. In practice, they can only model short-term dependencies due to the problem of vanishing and exploding gradients. This thesis explores the problem of vanishing gradient in recurrent neural networks and proposes novel solutions for the same. Chapter 3 explores the idea of using external memory to store the hidden states of a Long Short Term Memory (LSTM) network. By making the read and write operations of the external memory discrete, the proposed architecture reduces the rate of gradients vanishing in an LSTM. These discrete operations also enable the network to create dynamic skip connections across time. Chapter 4 attempts to characterize all the sources of vanishing gradients in a recurrent neural network and proposes a new recurrent architecture which has significantly better gradient flow than state-of-the-art recurrent architectures. The proposed Non-saturating Recurrent Units (NRUs) have no saturating activation functions and use additive cell updates instead of multiplicative cell updates. Chapter 5 discusses the challenges of using recurrent neural networks in the context of lifelong learning. In the lifelong learning setting, the network is expected to learn a series of tasks over its lifetime. The dependencies in lifelong learning are not just within a task, but also across the tasks. This chapter discusses the two fundamental problems in lifelong learning: (i) catastrophic forgetting of old tasks, and (ii) network capacity saturation. Further, it proposes a solution to solve both these problems while training a recurrent neural network.

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Ce travail expose plusieurs études dans les domaines de la reconnaissance de la parole et compréhension du langage parlé. La compréhension sémantique du langage parlé est un sous-domaine important de l'intelligence artificielle. Le traitement de la parole intéresse depuis longtemps les chercheurs, puisque la parole est une des charactéristiques qui definit l'être humain. Avec le développement du réseau neuronal artificiel, le domaine a connu une évolution rapide à la fois en terme de précision et de perception humaine. Une autre étape importante a été franchie avec le développement d'approches bout en bout. De telles approches permettent une coadaptation de toutes les parties du modèle, ce qui augmente ainsi les performances, et ce qui simplifie la procédure d'entrainement. Les modèles de bout en bout sont devenus réalisables avec la quantité croissante de données disponibles, de ressources informatiques et, surtout, avec de nombreux développements architecturaux innovateurs. Néanmoins, les approches traditionnelles (qui ne sont pas bout en bout) sont toujours pertinentes pour le traitement de la parole en raison des données difficiles dans les environnements bruyants, de la parole avec un accent et de la grande variété de dialectes. Dans le premier travail, nous explorons la reconnaissance de la parole hybride dans des environnements bruyants. Nous proposons de traiter la reconnaissance de la parole, qui fonctionne dans un nouvel environnement composé de différents bruits inconnus, comme une tâche d'adaptation de domaine. Pour cela, nous utilisons la nouvelle technique à l'époque de l'adaptation du domaine antagoniste. En résumé, ces travaux antérieurs proposaient de former des caractéristiques de manière à ce qu'elles soient distinctives pour la tâche principale, mais non-distinctive pour la tâche secondaire. Cette tâche secondaire est conçue pour être la tâche de reconnaissance de domaine. Ainsi, les fonctionnalités entraînées sont invariantes vis-à-vis du domaine considéré. Dans notre travail, nous adoptons cette technique et la modifions pour la tâche de reconnaissance de la parole dans un environnement bruyant. Dans le second travail, nous développons une méthode générale pour la régularisation des réseaux génératif récurrents. Il est connu que les réseaux récurrents ont souvent des difficultés à rester sur le même chemin, lors de la production de sorties longues. Bien qu'il soit possible d'utiliser des réseaux bidirectionnels pour une meilleure traitement de séquences pour l'apprentissage des charactéristiques, qui n'est pas applicable au cas génératif. Nous avons développé un moyen d'améliorer la cohérence de la production de longues séquences avec des réseaux récurrents. Nous proposons un moyen de construire un modèle similaire à un réseau bidirectionnel. L'idée centrale est d'utiliser une perte L2 entre les réseaux récurrents génératifs vers l'avant et vers l'arrière. Nous fournissons une évaluation expérimentale sur une multitude de tâches et d'ensembles de données, y compris la reconnaissance vocale, le sous-titrage d'images et la modélisation du langage. Dans le troisième article, nous étudions la possibilité de développer un identificateur d'intention de bout en bout pour la compréhension du langage parlé. La compréhension sémantique du langage parlé est une étape importante vers le développement d'une intelligence artificielle de type humain. Nous avons vu que les approches de bout en bout montrent des performances élevées sur les tâches, y compris la traduction automatique et la reconnaissance de la parole. Nous nous inspirons des travaux antérieurs pour développer un système de bout en bout pour la reconnaissance de l'intention. / This work presents several studies in the areas of speech recognition and understanding. The semantic speech understanding is an important sub-domain of the broader field of artificial intelligence. Speech processing has had interest from the researchers for long time because language is one of the defining characteristics of a human being. With the development of neural networks, the domain has seen rapid progress both in terms of accuracy and human perception. Another important milestone was achieved with the development of end-to-end approaches. Such approaches allow co-adaptation of all the parts of the model thus increasing the performance, as well as simplifying the training procedure. End-to-end models became feasible with the increasing amount of available data, computational resources, and most importantly with many novel architectural developments. Nevertheless, traditional, non end-to-end, approaches are still relevant for speech processing due to challenging data in noisy environments, accented speech, and high variety of dialects. In the first work, we explore the hybrid speech recognition in noisy environments. We propose to treat the recognition in the unseen noise condition as the domain adaptation task. For this, we use the novel at the time technique of the adversarial domain adaptation. In the nutshell, this prior work proposed to train features in such a way that they are discriminative for the primary task, but non-discriminative for the secondary task. This secondary task is constructed to be the domain recognition task. Thus, the features trained are invariant towards the domain at hand. In our work, we adopt this technique and modify it for the task of noisy speech recognition. In the second work, we develop a general method for regularizing the generative recurrent networks. It is known that the recurrent networks frequently have difficulties staying on same track when generating long outputs. While it is possible to use bi-directional networks for better sequence aggregation for feature learning, it is not applicable for the generative case. We developed a way improve the consistency of generating long sequences with recurrent networks. We propose a way to construct a model similar to bi-directional network. The key insight is to use a soft L2 loss between the forward and the backward generative recurrent networks. We provide experimental evaluation on a multitude of tasks and datasets, including speech recognition, image captioning, and language modeling. In the third paper, we investigate the possibility of developing an end-to-end intent recognizer for spoken language understanding. The semantic spoken language understanding is an important step towards developing a human-like artificial intelligence. We have seen that the end-to-end approaches show high performance on the tasks including machine translation and speech recognition. We draw the inspiration from the prior works to develop an end-to-end system for intent recognition.