Le projet IMAGE vise à offrir des outils aux utilisateurs pour augmenter et accélérer la compréhension de situations complexes. En utilisant des technologies de pointe et des concepts de réalité virtuelle, un environnement virtuel immersif a été développé. Ce mémoire présente la deuxième version du projet IMAGE et se concentre sur les aspects visuels et immersifs de l'environnement. Les outils de visualisation et de manipulation sont conçus dans le but d'offrir de nouvelles possibilités dans l'analyse de situations complexes. La première version du projet (IMAGE VI) est tout d'abord présentée. Par la suite, une revue des différents concepts utilisés dans le projet est effectuée. Après une présentation du module Exploration, principale plateforme développée dans le cadre d'IMAGE V2, la problématique de la représentation des simulations dans un environnement immersif est abordée. La solution proposée, nommée arbre multichronique, est une manière de visualiser de l'information dans un espace virtuel et sera ensuite expliquée en détails. Finalement, une évaluation du système ainsi qu'une discussion sur le développement du projet complètent le mémoire.

Ce mémoire présente les concepts et la réalisation d’outils de visualisation d’information dans un objectif d’aide à la compréhension de systèmes complexes. L’implantation des différents outils proposés a été réalisée dans le cadre du projet IMAGE mené au centre RDDC Valcartier. L’objectif principal de ce projet est de fournir une méthodologie et des outils afin d’aider à la compréhension de systèmes complexes. Le concept proposé par IMAGE repose principalement sur la synergie de quatre principes, soit la représentation, la scénarisation, la simulation et l’exploration. Nous nous attarderons ici essentiellement à l’aspect exploration. On propose d’abord une version desktop non immersive du module d’exploration. Différents outils de visualisation ont été développés à l’aide de l’outil de développement graphique Eye-Sys. Un ensemble d’affichages graphiques interactifs est proposé et s’inspire notamment de plusieurs techniques dans le domaine de la visualisation d’information. Ensuite, une version immersive des outils de visualisation a été réalisée. À partir de différents concepts de réalité virtuelle connus comme la stéréoscopie off-axis, des outils de visualisation ont été adaptés pour que l’on puisse les utiliser de façon immersive dans un environnement virtuel de type CAVE. On propose également l’intégration de différents périphériques de contrôle comme une télécommande sans fil et une tablette PC afin de faciliter la navigation dans l’environnement et la manipulation des différents outils de visualisation développés.

Ce travail présente une nouvelle approche basée sur l'étude de la stabilité du mouvement de systèmes continus, multivariables, non linéaires. Elle repose sur l'utilisation de la seconde méthode de Lyapunov pour le calcul d'une loi de commande de suivi de trajectoire d'un processus dont l'évolution est décrite par son équation d'état. Cette commande est réalisée à partir d'informations accessibles concernant le processus et son évolution désirée.Cette approche est étudiée dans le cas où cette commande n'est pas définie.Afin d'étudier la robustesse de cette commande, nous présentons une approche basée sur la stabilité des systèmes non linéaires par le calcul des systèmes majorants. Cette approche est appliquée sur les systèmes décrivant l'erreur entre le système perturbé réel présentant d'importantes imprécisions et/ou incertitudes et le modèle théorique.

Le travail présenté se situe dans le champ des systèmes complexes. Certains problèmes complexes ne possèdent pas de solution analytique ou ont une solution trop compliquée pour être mise en œuvre facilement. Les méthodes analytiques traditionnelles se posent soit d'un point de vue global (holiste) soit découpent la complexité en éléments distincts pour représenter le comportement du système par une seule entité (réductionniste). Elles sous-estiment ainsi la complexité des différents niveaux d'organisation du système et leur imbrication. De fait, il est quasiment impossible de prévoir l'évolution de tels systèmes à cause du trop grand nombre d'entités et de leurs interactions.<br />Une autre approche se base sur la modélisation du comportement de chaque élément participant à cette évolution ainsi que celle de ses interactions avec les autres éléments et avec l'environnement. Lors de ces interactions, différents types de données peuvent être échangés (information, argent, nourriture, virus, etc...). Ces échanges peuvent être vus comme un flux. Le principe est de mettre en relation des entités ayant des caractéristiques simples qui leur permettront d'interagir les unes avec les autres dans un environnement spécifique afin d'obtenir un comportement global de plus haut niveau. Comme nous pouvons l'observer dans certaines sociétés d'animaux dits sociaux, la performance collective émerge des interactions directes ou indirectes entre les individus et l'environnement : elle est le résultat d'un processus d'auto-organisation au cours duquel l'environnement et la collectivité se structurent mutuellement. L'imprévisibilité de l'évolution des systèmes complexes ne permet pas de les caractériser complètement. Par conséquent, pour modéliser et comprendre la circulation de flux dans de tels systèmes, il est nécessaire de se tourner vers la simulation. <br />Afin de tenir compte des différentes spécifications des systèmes complexes dans leur modélisation, les Systèmes MultiAgents (SMA) représentent une méthode particulièrement appropriée. Il est alors possible de représenter des phénomènes environnementaux comme la conséquence d'interactions d'agents agissant en parallèle, chaque agent étant une entité réactive et autonome. <br />Notre travail est centré sur l'étude de la gestion des flux dans les systèmes complexes par l'élaboration de Simulation Orientée Agents (SOA). En particulier, nous appliquons cette démarche à l'étude de la circulation d'un parasite (Cryptosporidium parvum) dans un écosystème. L'objectif est de mieux comprendre les différents épisodes d'infection auprès de population d'hôtes (animale ou humaine) sous des contraintes spécifiques. Étant donné que ce parasite est particulièrement résistant aux méthodes de désinfection traditionnelles, il est nécessaire de saisir les facteurs prédominants agissant dans la contamination et la propagation du parasite. <br />A cet effet, les données, recueillies auprès de biologistes, nous ont permis de concevoir un outil d'expérimentation en épidémiologie. Cette SOA permet une exploration des comportements possibles du système où circule Cryptosporidium spp.. Ainsi, un ensemble de scenarii a pu être simulé. Les résultats permettent d'évaluer la fiabilité de la modélisation, puis, d'émettre de nouvelles hypothèses concernant la dissémination du parasite.<br />Dans l'objectif d'apporter aux biologistes un outil d'aide à la décision autonome, nous avons développé un système de niveau supérieur (méta-système) capable de réaliser le monitoring d'une SOA. Ce méta-système, basé sur le concept de métaheuristique, cherche à optimiser le comportement du système en fonction d'une problématique précise en évaluant l'impact de facteurs prédéfinis sur l'évolution de la SOA. Ainsi, il est à même d'interpréter les résultats des simulations pour permettre de faire émerger, par l'auto-génération de scenarii, les causes qui influent sur la propagation du parasite.

Des logiciels complexes, assemblés à partir de nombreux composants préexistants, sont aujourd'hui utilisés pour des emplois de plus en plus critiques (télécommunication, ferroviaire, automobile...). Les risques encourus, aussi bien humains qu'économiques, exigent de pouvoir mettre en place dans ces systèmes des mécanismes de tolérance aux fautes flexibles et adaptables indépendamment des composants utilisés. Mais la complexification des logiciels pose problème, car les approches développées jadis pour assurer la sûreté de fonctionnement de petits systèmes ne leur sont plus applicables. Connues depuis longtemps, les architectures réflexives, en autorisant le découplage des aspects fonctionnels et non-fonctionnels d'un système, visent à résoudre ce problème. Jusqu'ici cependant, les approches proposées s'étaient limitées à des prototypes simples, souvent réalisés ex-nihilo pour expérimentation. Or la tolérance aux fautes est une propriété globale des systèmes considérés, qui requiert la prise en compte de tous les niveaux d'abstraction rencontrés. Dans cette thèse, nous étudions comment le paradigme réflexif peut être adapté pour permettre d'intégrer les considérations algorithmiques de la tolérance aux fautes (validité, observation, contrôle) aux contraintes architecturales rencontrées dans les systèmes complexes (abstraction, transparence, inter-opérabilité). Pour aborder cette problématique, nous développons un nouveau cadre conceptuel, la réflexivité multi-niveaux, et les concepts d'empreinte réflexive et de lien inter-niveaux qui lui sont associés. Nous validons ensuite la pertinence pratique de notre proposition en abordant la réplication de serveurs CORBA à brins d'exécution multiples (multithreaded) sur un exemple concret constitué de GNU/Linux et de l'ORB commercial ORBacus. Nous concluons finalement à la nécessité d'un nouveau paradigme de développement basé sur des composants rendus réflexifs dès leur réalisation.

Les technologies modernes permettent d'avoir des renseignements toujours plus précis sur les interactions entre individus. Dans ce contexte, la collaboration SocioPatterns a permis de développer une infrastructure mesurant, avec une très grande résolution temporelle, la proximité face-à-face d'individus volontaires, portant des badges de radio-identification. Cette infrastructure a été déployée dans divers contextes, tels que des conférences scientifiques, un musée, une école ou encore un service hospitalier. La simple analyse de ces données représente un enjeu majeur pour l'étude de la dynamique humaine et soulève des questions aussi fondamentales que la recherche d'outils et de techniques d'analyse adaptés. Cette thèse présente la caractérisation statistique de la dynamique de proximité physique, mise en relation avec le contexte et les autres métadonnées disponibles, telles que l'âge, le sexe des individus, ou bien la structure de leurs réseaux sociaux virtuels. Si la structure des contacts diffère considérablement selon le contexte, les distributions empiriques des durées des interactions et entre interactions sont très similaires. Un modèle individu-centré, présenté dans cette thèse, propose des règles d'interactions microscopiques simples susceptibles de donner lieu à cette structure macroscopique complexe des temps d'interaction. Enfin, la caractérisation de la dynamique des contacts entre individus constitue une étape cruciale pour comprendre les mécanismes de propagation de maladies telles que la grippe dans une population. / Modern technologies allow to access to more and more detailed information on human interactions. In this context, the SocioPatterns collaboration has allowed to develop an infrastructure based on radio-identification devices, that records human proximity patterns at a fine grained resolution, among voluntary individuals. This infrastructure has been deployed in diverse contexts, such as scientific conferences, a museum, a primary school, or a hospital department. The mere analysis of these data represents a high stake for the study of human dynamics and raises fundamental issues such as the need of adequate tools and analysis techniques. This thesis presents the statistical characterization of physical proximity dynamics, put into relation with the context and other available metadata such as the age, the gender of participants or the structure of their virtual social networks. Although contact patterns considerably differ amongst the various contexts, the empirical distributions of interaction durations and of inter-contact times are very similar. An agent-based model, presented in this thesis, suggests simple microscopic interaction rules able to produce the complex macrostructure of interaction durations. In the last place, the characterization of contact dynamics constitutes a determining step for understanding spreading mechanisms of diseases such as the influenza. The human proximity data have allowed to analyze the level of information needed on contact dynamics for the elaboration of epidemiological models of contagion. Such models allow to better estimate the impact of public health strategies, e.g. the closure of school classes and targeted vaccinations.

Le bilan de carbone des écosystèmes forestiers implique de nombreux processus, rendant difficile la prédiction de leurs réponses aux changements climatiques. A des échelles larges, les processus écologiques ne peuvent être modélisés que de manière simplifiée et doivent donc se focaliser sur les processus importants. Par ailleurs, le développement de forêts mélangées est de plus en plus encouragé. Or ce type de forêt présente des degrés de complexité supplémentaires. D'une part la structuration du couvert en 3D est susceptible d'influencer les flux de carbone, et d'autre part les espèces coexistantes peuvent répondre de manière différentes aux changements climatiques. La forêt de Font-Blanche constitue un cas d'étude original car elle est spatialement hétérogène. De plus, les modèles climatiques prédisent une réduction importante des précipitations au cours du XXIe siècle en région méditerranéenne. Mais l'échelle du siècle peu être exigeante en temps de calcul lorsqu'on veut à prendre en compte la structure de la canopée. Dans cette these j'ai donc modifié le domaine d'utilisation d'un modèle d'écosystème méchaniste, de l'année au siècle, grâce à la technique méta-modélisation. Le méta-modéle a donné de bons résultats qui m'ont permis de réaliser une étude d'impact du changement climatique à l'échelle du siècle, sur la forest de Font-Blanche. Les résultats montrent que la représentation spatiale du couvert et l'effet de rétroiaction du bilan hydrique, jouent un rôle important et ne peuvent pas être simplifiés à long-terme à cause de la dynamique des espèces qui la composent qui représente la plus grande source de variations du bilan de carbone. / The carbon balance of forest ecosystems involves many complex processes. At larger scales, ecological processes can not be modelled in a simplified way, but these have not been clearly identified. Furthermore, the development of mixed forest is increasingly promoted and this type of stand has additional degrees of complexity. On the one hand, complex canopy structure is likely to influence carbon fluxes, and other coexisting species may respond differently to climate change. Font-Blanche forest is an original case study that has not been studied in modelling because of its heterogeneity. In add, climate models predict significant reductions in rainfall during the 21st century for the Mediterranean region; But the century time scale maybe very demanding in computation time if ones want to taking into account the canopy structure. Then in this thesis we are modified a 3D mechanistic forest ecosystem model (noTG) to extend its temporal scale from year to century, thanks to meta-modelling technique. The meta-modelling gives good results and we used the meta-modeled version of noTG (notgmeta) to predict carbon and water balance of Font-blanche forest between 2008-2100 according to differents climate change scenario. According to model simplification, we find that photosynthesis, soil respiration and plant respiration are stimulated until 2100 with a decrease of this stimulation at the end of the simulation. We find that spatial representation of canopy and feedback effect of the water balance plays an important role and can not be simplified in the long-term simulation since the dynamics of species represents the largest source of carbon balance variations.

Le travail présenté dans cette thèse s'intéresse à la modélisation de systèmes à base d'agents (situés) pour la résolution de problèmes de partage de ressources critiques. Nous voyons que les systèmes multi-agents manifestent des caractéristiques qui les rendent appropriés à l'implantation industrielle en environnement ouvert et dynamique. Le problème de partage de ressources critiques exhibe les caractéristiques des systèmes complexes (interactions rétroactives entre les sous-parties du problème), et peut s'exprimer d'un point de vue algorithmique comme un problème d'optimisation combinatoire (accroissement exponentiel du nombre de combinaisons à évaluer pour les résoudre lorsque la taille des problèmes augmente). Dans le cadre de la modélisation générique que nous proposons pour ce problème, nous devons donc corréler la complexité des relations héritées du problème avec la complexité des relations liées à la décentralisation des agents en interaction. Nous devons aussi permettre une convergence rapide du système modélisé vers une configuration satisfaisante qui matérialise une solution pour le problème traité, parmi un grand ensemble de configurations disponibles. Les systèmes multi-agents abordent le problème de partage de ressources critiques comme un problème de négociation décentralisée. En décentralisant le processus de résolution, on se confronte à la difficulté de corrélation de comportements locaux par rapport aux propriétés globales du système. Nous contribuons par cette étude à identifier des limitations des approches multi-agents, et proposons deux modèles qui illustrent ces difficultés : une mauvaise coordination de l'ensemble de l'activité des agents entraîne un dysfonctionnement qualifié de `suractivité agent' qui enraille la convergence vers une solution recherchée. Ceci nous amène à envisager le défaut de 'suractivité' comme un problème de perception décentralisée, et à proposer une approche innovante : CESNA (Complex Exchanges between Stigmergic Negotiating Agents). Des agents négocient à travers un réseau la validation de contrats qui leur conviennent. Lorsque tous les agents sont satisfaits, on obtient une solution pour le problème. Certaines mesures montrent la diffusion d'informations de coordination complexes du niveau local (des agents) au niveau global (du système) et vice versa à travers le réseau de négociation. Nous mesurons par ailleurs des performances de résolution comparables à celles que l'on connaît pour les approches spécifiques de coloration de graphe. Ces résultats prometteurs soulignent les capacités de perception émergente et d'auto-organisation résultats d'interactions complexes entre les agents, ils mettent à jour la pertinence de cette nouvelle façon d'envisager les relations complexes entre agents pour le partage de ressources critiques. Il nous semble intéressant d'envisager l'expression des relations complexes que nous proposons pour d'autres domaines applicatifs.

L'objectif de ce travail consiste à mettre en place des modèles d'intelligence en essaim pour l'étude de l'émergence spatiale d'organisations dans des systèmes complexes auto-organisés, sous des contraintes multi-critères. Le contexte scientique de la formalisation dans le cadre de la modélisation des systèmes complexes est développé dans ce document. Une méthodologie est présentée et conduit au développement d'une heuristique complexe tissant des liens entre des modèles élémentaires bio-inspirés des algorithmes de type fourmis. Une application est développée et concerne la modélisation de l'usage de services - notamment des services culturels - en dynamique urbaine, ainsi que la modélisation des mécanismes d'adaptation de ces services en fonction de leurs usages.

Nombre de sciences utilisent la simulation comme outil de modélisation. Le but de notre travail est d'améliorer la prise en compte d'échelles multiples dans une simulation informatique. Il nous faut donc comprendre comment les sciences se construisent, et le rapport qu'entretiennent cette épistémologie et la simulation.<br />Cette thèse commence donc par un chapitre résumant différentes tendances épistémologiques et s'efforce de les rattacher à la tâche qu'on s'est fixé. Le deuxième chapitre présente de manière plus spécifique ce qu'on peut vouloir dire par « échelles multiples » ou « niveau de description » dans différents travaux scientifiques, en insistant plus particulièrement sur ce qui sera notre application principale, l'hydrodynamique et les écosystèmes.<br />Le chapitre 3 présente alors l'application qui a donné naissance au travail actuel, qui est un système destiné à améliorer l'intelligibilité dans un système de communications écrites entre gestionnaires d'une situation de crise, en utilisant la forme et la dynamique du discours pour aider à résumer sa sémantique.<br />Vient ensuite un résumé de ce dont traite l'écologie, de l'importance des flux dans les modèles actuels d'écosystèmes, et des tendances les plus répandues actuellement dans la modélisation d'écoulement fluide. Ceci nous amène dans le chapitre 5 à la description d'une application qui s'efforce de gérer différentes échelles dans une simulation d'écoulement fluide, en gardant à l'esprit une intégration ultérieure dans une simulation d'écosystème plus générale. Nous utilisons comme base un modèle dit particulaire sur lequel nous appliquons deux méthodes pour détecter des structures ou des organisations au cours de la simulation. Une de celle-ci permet le remplacement des particules de bases qui se sont auto-organisées par une nouvelle entité qui représente la structure en question. La vie sociale subséquente de cette nouvelle entité de simulation peut ensuite mener à la création d'encore nouvelles échelles, et ce d'une manière itérative sans limité supérieure théorique.<br />Nous terminons avec un article en anglais qui commence à expliciter comment ce travail mènera à une simulation d'écosystème plus générale.