L'objectif principal de notre travail est de reproduire l'évolution de la distribution de la population d'une ville. Le parti pris est de privilégier une vision synthétique de la ville. Notre approche se fonde sur une modélisation de l'interaction entre un niveau intermédiaire (constitué par des groupes sociaux et des types d'habitat) et un niveau individuel (constitué par des ménages et des logements). Pour représenter l'évolution de la population de la ville et du parc du logement à la différence des approches classiques de microsimulation, nous privilégions une approche globale : nous considérons des règles générales d'évolution basées sur des quotas de ménages et de logements. À partir de ces principes, nous avons développé un modèle de simulation multi-agent basé sur la concurrence entre groupes sociaux pour des groupes de logements libres, dans un marché du logement. Nous avons utilisé ce modèle pour reproduire l'évolution de la distribution de la ville de Bogota entre 1973 et 1993.

Partant des composés ATiO3 (A=Ba, Pb, Sr) bien connus pour leurs propriétés de type ferroélectriques, il est possible de concevoir des super-réseaux de basse dimensionnalité (multi-couches, phases de type ,...) où ces propriétés peuvent être modulées en fonction de la composition, de l'épaisseur des couches mises en jeu, des contraintes aux interfaces. Nous proposons ici d'étudier par calculs de premiers principes les instabilités structurales et la dynamique de réseau pour des systèmes simples dans cette famille. En définissant clairement les zones interfaciales et de cœur des couches, et en étudiant la convergence de leurs propriétés en fonction de l'épaisseur, ce travail vise à établir des potentiels interatomiques modèles, analytiques et transférables, pour la prédiction des propriétés dynamiques et des instabilités structurales de super-réseaux étendus et/ou complexes.

L'objectif de ce thèse est l'étude des systèmes dynamiques avec interaction à longue portée. La complexité de leur dynamique met en évidence des propriétés contre-intuitives et inattendues, comme l'existence d'états stationnaires hors-équilibre (QSS). Dans le QSS on peut observer des propriétés particulières: chaleur spécifique négative, inéquivalence des ensembles statistiques et phénomènes d'auto-organisation. Les théories des interactions LR ont été appliquées pour décrire la dynamique des systèmes auto-gravitants, de tourbillons bidimensionnels, de systèmes avec interactions onde-particule et des plasmas chargés. Mon travail s'est tout d'abord consacré à l'extension de la solution de Lynden-Bell pour le modèle HMF, en généralisant l'analyse à des conditions initiales de «water-bag" à plusieurs niveaux, qui approchent des conditions initiales continues. En suite je me suis intéressé à la caractérisation formelle de la thermodynamique des QSS dans l'ensemble statistique canonique. En appliquant la théorie standard, il est possible de mesurer une chaleur spécifique "cinétique'' négative. Cette propriété inattendue amène à la violation du second principe de la thermodynamique. Un tel résultat nous pousse à reconsidérer l'applicabilité de la théorie thermodynamique actuelle aux systèmes LR. En suite j'ai étudié, pour le modèle α-HMF, la persistance des caractéristiques typiques du régime LR, dans le limite dynamique à courte portée. Les résultats suggèrent une généralisation de la définition des systèmes LR. Le dernier chapitre est consacré à la caractérisation d'un nouveau modèle LR, extension naturelle du précédent α-HMF et d'intérêt potentiel applicatif. / The scope of this thesis is the study of systems with long-range interactions (LR). The complexity of their dynamics evidences counter-intuitive and unexpected properties, as for instance the existence of out-of-equilibrium stationary states (QSS). Considering a system in the QSS, one may observe peculiar properties, as negative specific heat, statistical ensemble inequivalence and phenomena of self-organizations. The main theories of long-range interactions have been applied to describing self-gravitating systems, two-dimensional vortices, systems with wave-particle interactions and charged plasmas. My work has been initially dedicated to extending the Lynden-Bell solution for the HMF model, generalizing the analysis to multi-level water-bag initial condition that could approximate continuous distributions. Then I concentrated to the formal characterization of the thermodynamics of QSS in the canonical statistical ensemble. By applying the standard theory, it is possible to measure negative “kinetic” specific heat. This latter unexpected property leads to a violation of the second principle of thermodynamics. Such result forces us to reconsider the applicability of the accepted thermodynamic theory to LR systems. Afterwards I studied, in the context of the α-HMF model, the persistence of the typical characteristics of the LR regime in the limit of short-range dynamics. The results obtained suggests a generalization of the definition of LR systems. The last chapter is dedicated to the characterization of a novel LR model, a natural extension of α-HMF and of potential applicability.

La recherche de moyens alternatifs pour la propulsion d'un aéronef est primordiale tant la dépendance au pétrole est forte. Le travail proposé dans cette thèse s'inscrit dans le besoin de soutenir les concepteurs de systèmes de propulsion innovants utilisant l'électricité. En partant du constat qu'il est primordial de s'appuyer sur l'analyse de l'aéronef dans sa globalité, nous proposons une approche basée sur les modèles, faisant appel aux modèles d’ingénierie système, aux modèles comportementaux basés sur la physique et à la simulation numérique, et collaborative, car la conception implique de nombreux métiers.L'objectif de cette approche est la création d'un produit virtuel qui est un modèle global multidisciplinaire exécutable du produit pour en faciliter la conception. Une méthodologie est alors construite pour se concentrer sur la relation entre le produit virtuel, ses modèles constitutifs et leur obtention. Le fil directeur de la méthodologie correspond à une recherche d'informations, au moyen de l'analyse des interactions et impacts multidisciplinaires qui apparaissent dans le système, puis l'application de cette information pour la construction d'un modèle d'intention qui permet la requête de modèles comportementaux auprès d'experts. C'est finalement le lien manquant entre la conception globale conduite par l'ingénierie système et la conception basée sur la physique du monde réel qui est implicitement traité dans ces travaux. Pour réaliser l'ensemble de la méthodologie, un nouveau rôle a été défini, le rôle d'architecte de simulation. Cette thèse présente la méthodologie de manière théorique, incluant ses rôles et concepts, puis cette dernière est démontrée sur un cas d'étude correspondant à l'hybridation d'un drone de type hélicoptère. / The research of alternative aircraft propulsion system is mandatory because oil dependence is too strong. The work proposed in this thesis is oriented to support electric based innovative propulsion system designers. Considering that it is important to consider entire aircraft analysis, we propose a model based, with systems engineering models, physics-based behavioral models and numerical simulation, and collaborative, because design require numerous business expertise. The objective of this approach is to build a virtual product, which means a global multidisciplinary executable model of the product under design in order to facilitate its design. A methodology is then developed, focused on the relation between the virtual product, its constitutive models and their acquisition. The methodology director wire corresponds to information research, with multidisciplinary interactions and impacts in the system, and then the application of those pieces of information to build a model of intention which allows requesting a behavioral model from experts. Finally, it is the missing link between global design driven with systems engineering and real physics based design which is implicitly at stake. To perform the methodology, a new role has been defined, the simulation architect. This thesis presents theoretically the methodology, including roles and concepts, and then this methodology is demonstrated on a helicopter based drone study-case.

Dans cette thèse, conjointement au développement d'un modèle de négociation bilatérale automatisée entre agents, dans un contexte à informations incomplètes, intégrant les effets de la personnalité du comportement humain sur le processus et sur les résultats de la négociation, nous proposons une architecture de tels agents (″vendeur ″ ou ″acheteur″). Pour cela, une nouvelle approche de génération d'offres a été présentée en proposant notamment trois familles de tactiques adaptatives (par rapport aux intervalles de réservation et aux dates limites), à savoir : les tactiques dépendantes du temps (supposé continu), les tactiques dépendantes du comportement et les tactiques indépendantes du temps. Cette thèse s'intéresse aussi à la prise en considération des effets de la personnalité (de l'agent négociateur) sur les issues de la négociation. En fait, en recourant à modèle appelé ‘‘cinq grands facteurs de la personnalité'' et en introduisant des orientations cognitives, nous avons développé une architecture d'agent négociant basé sur la personnalité. Notre architecture s'inspire principalement de la théorie des jeux. En effet, la connaissance de l'agent artificiel en termes de la négociation est considérée comme une certaine orientation mentale du négociateur favorisant les concessions de ce dernier vers l'un des trois équilibres (au sens de la théorie des jeux) suivants : Gagnant-Perdant, Perdant-Gagnant, ou Gagnant-Gagnant. Selon l'orientation privilégiée et la personnalité du négociateur, un tel agent négociateur décide de la combinaison adéquate des tactiques (modèles etc.) afin de moduler, en conséquence, les issues escomptées de la négociation / In this thesis, besides the developing a bilateral automated negotiation model between agents, in incomplete information state, integrating the personality effects of human on the negotiation process and outcomes, we proposed an architecture of such agents (“buyer” or “seller”). To do so, a new offer generation approach of three adaptive families of tactics has been proposed as follows : the time dependent tactics (time supposed as continuous), behavior dependent tactics, and time independent tactics.This thesis takes into consideration also the personality effects (of negotiator agent) on negotiation process and outcome. In fact, with regard to “Big five” personality model and introducing the cognitive orientations, we have developed a negotiator agent's architecture based on personality. This architecture is, mainly, inspired from the game theory. In fact, the artificial agent's cognition in terms of negotiation is considered as a certain negotiator's mental orientation favorising the concession of the negotiator agent towards one of following three equilibria (based on game theory) : Win-Lose, Lose-Win, and Win-Win According to the privileged orientation and the personality of negotiator, such a negotiator agent decides the adequate combination of tactics (models, etc) in order to modulate, consequently, the expected outcomes of negotiation

Ces dernières années, la puissance croissante des ordinateurs a permis à la fois de rassembler une quantité sans précédent de données décrivant la société moderne et d'envisager des outils numériques capables de s'attaquer à l'analyse et la modélisation les processus dynamiques qui se déroulent dans cette réalité complexe. Dans cette perspective, l'approche quantitative de la physique est un des catalyseurs de la croissance de nouveaux domaines interdisciplinaires visant à la compréhension des systèmes complexes techno-sociaux. Dans cette thèse, nous présentons dans cette thèse un cadre théorique et numérique pour simuler des épidémies de maladies infectieuses émergentes dans des contextes réalistes. Dans ce but, nous utilisons le rôle crucial de la mobilité des agents dans la diffusion des maladies infectieuses et nous nous appuyons sur l'étude des réseaux complexes pour gérer les ensembles de données à grande échelle décrivant les interconnexions de la population mondiale. En particulier, nous abordons deux différents problèmes de santé publique. Tout d'abord, nous considérons la propagation d’une épidémie au niveau mondial, et présentons un modèle de mobilité (GLEAM) conçu pour simuler la propagation d'une maladie de type grippal à l'échelle globale, en intégrant des données réelles de mobilité dans le monde entier. La dernière pandémie de grippe H1N1 2009 a démontré la nécessité de modèles mathématiques pour fournir des prévisions épidémiques et évaluer l'efficacité des politiques d'interventions. Dans cette perspective, nous présentons les résultats obtenus en temps réel pendant le déroulement de l'épidémie, ainsi qu'une analyse a posteriori portant sur les stratégies de lutte et sur la validation du modèle. Le deuxième problème que nous abordons est lié à la propagation de l'épidémie sur des systèmes en réseau dépendant du temps. En particulier, nous analysons des données décrivant les mouvements du bétail en Italie afin de caractériser les corrélations temporelles et les propriétés statistiques qui régissent ce système. Nous étudions ensuite la propagation d'une maladie infectieuse, en vue de caractériser la vulnérabilité du système et de concevoir des stratégies de contrôle. Ce travail est une approche interdisciplinaire qui combine les techniques de la physique statistique et de l'analyse des systèmes complexes dans le contexte de la mobilité des agents et de l'épidémiologie numérique. / In recent years, the increasing availability of computer power has enabled both to gather an unprecedented amount of data depicting the global interconnections of the modern society and to envision computational tools able to tackle the analysis and the modeling of dynamical processes unfolding on such a complex reality. In this perspective, the quantitative approach of Physics is catalyzing the growth of new interdisciplinary fields aimed at the understanding of complex techno-socio-ecological systems. By recognizing the crucial role of host mobility in the dissemination of infectious diseases and by leveraging on a network science approach to handle the large scale datasets describing the global interconnectivity, in this thesis we present a theoretical and computational framework to simulate epidemics of emerging infectious diseases in real settings. In particular we will tackle two different public health related issues. First, we present a Global Epidemic and Mobility model (GLEaM) that is designed to simulate the spreading of an influenza-like illness at the global scale integrating real world-wide mobility data. The 2009 H1N1 pandemic demonstrated the need of mathematical models to provide epidemic forecasts and to assess the effectiveness of different intervention policies. In this perspective we present the results achieved in real time during the unfolding of the epidemic and a posteriori analysis on travel related mitigation strategies and model validation. The second problem that we address is related to the epidemic spreading on evolving networked systems. In particular we analyze a detailed dataset of livestock movements in order to characterize the temporal correlations and the statistical properties governing the system. We then study an infectious disease spreading, in order to characterize the vulnerability of the system and to design novel control strategies. This work is an interdisciplinary approach that merges statistical physics techniques, complex and multiscale system analysis in the context of hosts mobility and computational epidemiology.

La principale limitation du modèle connexionniste (réseau neuronal artificiel) CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) et son applicabilité à la résolution des problèmes inhérents au systèmes automatisés complexes (robots, véhicules autonomes, etc.) est liée à la taille de mémoire requise par ce type de modèle connexionniste. Il est pertinent de rappeler que la capacité de mémoire exigée par le CMAC dépend, en premier lieu, de la précision de la quantification des signaux d'entrée, puis, de la dimension de l'espace des entrées (espace caractéristique) du système modélisé. Dans le cas des applications requérant une exécution en temps-réel, la tendance est à la réduction de l'espace caractéristique (aussi petit que possible) et la précision (de la quantification : aussi faible que possible). Cependant, souvent, les systèmes complexes impliquent plusieurs entrées. Pour résoudre le problème inhérent à cet antagonisme et la taille de la mémoire, nous nous sommes intéressés, dans la présente thèse, à l'influence des paramètres intervenant dans la précision de la quantification et dans la capacité de la généralisation sur la qualité d'approximation du modèle CMAC. L'objectif escompté était d'arriver à des structures optimales du CAMC pour le contrôle des systèmes dynamiques complexes. Les robots bipèdes (humanoïdes) et des véhicules volants hypersoniques sont deux domaines d'applications très actuelles impliquant des systèmes complexes. Nous avons appliqué des concepts étudiés aux problèmes soulevés par les deux domaines précités. Des résultats obtenus à partir de la simulation ont montré que des structures optimales ou quasi-optimales conduisant à une réduction sensible d'erreur de modélisation peuvent être obtenues. Ces résultats ont montré que les choix effectués dans l'optimisation de la structure permet une réduction de la taille de la mémoire requise (par le CMAC) et une réduction du temps d'exécution à la fois / The main limitation of the CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) network in realistic applications for complex automated systems (robots, automated vehicles, etc…) is related to the required memory size. It is pertinent to remind that the memory used by CMAC depends firstly on the input signal quantification step and secondly on the input space dimension. For real CMAC based control applications, on the one hand, in order to increase the accuracy of the control the chosen quantification step must be as small as possible; on the other hand, generally the input space dimension is greater than two. In order to overcome the problem relating the memory size, how both the generalization and step quantization parameters may influence the CMAC's approximation quality has been discussed. Our goal is to find an optimal CMAC structure for complex dynamic systems' control. Biped robots and Flight control design for airbreathing hypersonic vehicles are two actual areas of such systems. We have applied the investigated concepts on these two quite different areas. The presented simulation results show that an optimal or sub-optimal structure carrying out a minimal modeling error could be achieved. The choice of an optimal structure allows decreasing the memory size and reducing the computing time as well

Les problèmes de la classification ont reçu une attention considérable dans des différents champs d'ingénierie comme traitement des images biomédicales, identification a partir de la voix, reconnaissance d'empreinte digitale etc. Les techniques d'intelligence artificielles, incluant les réseaux de neurones artificiels, permettent de traiter des problèmes de ce type. En particulier, les problèmes rencontrés nécessitent la manipulation de bases de données de tailles très importantes. Des structures de traitement adaptatives et exploitant des ensembles de classificateurs sont utilisées. Dans cette thèse, nous décrivons principalement le développement et des améliorations apportées à un outil de classification désigné par le terme Tree-like Divide to Simplify ou T-DTS. Nos efforts se sont portés sur l'un des modules de cet outil, le module d'estimation de complexité. L'architecture de l'outil T-DTS est très flexible et nécessite le choix d'un nombre important de paramètres. Afin de simplifier l'exploitation de T-DTS, nous avons conçu et développé une procédure automatique d'optimisation d'un de ces plus importants paramètres, le seuil de décision associé à la mesure de complexité. La contribution principale de cette thèse concerne le développement de modules pouvant s'implanté sur une architecture de calcul matérielle parallèle. Ceci permet de se rapprocher d'une implantation purement matérielle de l'outil T-DTS / Classification problems deal with separating group of objects into sets of smaller classes; this set of problems have received considerable attention in diverse engineering fields such as biomedical imaging, speaker identification, fingerprint recognition, etc. Several effective approaches for automated classification were suggested based on artificial intelligence techniques, including neural networks. Still, one of the major challenges faced by these approaches is a large scale of data required for successful classification. In this thesis, we explore a possible solution to this problem based on a module-based Tree-like Divide to Simplify (T-DTS) classification model. We focus on enhancing the key module of this approach - complexity estimation module. Furthermore, we provide an automated procedure for optimizing key complexity estimation parameters of the T-DTS model; this considerably improves usability and allows for a more effective configuration of decomposition reasoning of the approach. Another major contribution of this work employs further development of T-DTS modules that could be implemented using parallel computer architecture, thereby allowing T-DTS to utilize an underlying hardware to the fullest extent

Dans cette thèse, nous étudions la robustesse dans le contexte de la modélisation de systèmes complexes par les automates cellulaires. En effet, si l'on cherche à reproduire un comportement émergent à partir d'un modèle d'automate cellulaire, il nous semble nécessaire de se demander si les comportements observés sont bien le résultat d'interactions entre entités constituantes, ou bien s'ils dépendent d'une définition particulière du modèle. Nous allons ainsi être amenés à considérer la robustesse du modèle, à savoir la résistance de son comportement à de petites variations sur les attributs de sa définition. Dans un premier temps, nous montrons la pertinence de cette approche en considérant plusieurs définitions possibles d'une perturbation de la mise à jour globale et en les appliquant à une classe simple et représentative de modèles d'automates cellulaires, les Automates Cellulaires Elémentaires. Nous observons que, malgré le fait que nos perturbations soient proches et qu'une majorité des modèles considérés ne change pas de comportement, quelques cas particuliers montrent des changements qualitatifs du comportement que nous étudions plus en détail. Dans un second temps, nous appliquons cette approche en nous penchant sur un modèle particulier d'automate cellulaire, qui simule le phénomène de formation d'essaim à partir d'un modèle évolué d'automate cellulaire, le gaz sur réseau. Nous explorons la robustesse du comportement du modèle en considérant la perturbation de deux attributs du modèle, la forme de la grille cellulaire et la mise à jour globale, et en tirons les conclusions sur la relation entre l'observation du comportement et la définition précise du modèle / In this thesis, we study the role of robustness in the context of the modelling of complex systems by cellular automata. Indeed, if we consider a cellular automaton which aims at reproducing an emergent behaviour from a similar structure, we want to determine whether its observed dynamics are the result of the interaction of entities, or whether it depends a precise definition of the model. We thus consider the model's robustness, that is, the resistance of the behaviour to small perturbations on the model features. First, we show the relevance of this approach by considering several definitions of a perturbation of the global updating and by applying them to a simple and representative class of cellular automata, the Elementary Cellular Automata. We observe that, despite the fact that most models show little or no change between the different perturbations, some particular cases show qualitative changes that we study in detail. Second, we apply this approach to a particular model of cellular automata, which simulates a swarming behaviour based on a lattice-gas model. We then explore the model robustness by considering the pertubations of two of the model's attributes, the lattice shape and the global updating, and discuss the relationship between the observation of the behaviour and the precise definitions of the model

La recherche de moyens alternatifs pour la propulsion d'un aéronef est primordiale tant la dépendance au pétrole est forte. Le travail proposé dans cette thèse s'inscrit dans le besoin de soutenir les concepteurs de systèmes de propulsion innovants utilisant l'électricité. En partant du constat qu'il est primordial de s'appuyer sur l'analyse de l'aéronef dans sa globalité, nous proposons une approche basée sur les modèles, faisant appel aux modèles d’ingénierie système, aux modèles comportementaux basés sur la physique et à la simulation numérique, et collaborative, car la conception implique de nombreux métiers.L'objectif de cette approche est la création d'un produit virtuel qui est un modèle global multidisciplinaire exécutable du produit pour en faciliter la conception. Une méthodologie est alors construite pour se concentrer sur la relation entre le produit virtuel, ses modèles constitutifs et leur obtention. Le fil directeur de la méthodologie correspond à une recherche d'informations, au moyen de l'analyse des interactions et impacts multidisciplinaires qui apparaissent dans le système, puis l'application de cette information pour la construction d'un modèle d'intention qui permet la requête de modèles comportementaux auprès d'experts. C'est finalement le lien manquant entre la conception globale conduite par l'ingénierie système et la conception basée sur la physique du monde réel qui est implicitement traité dans ces travaux. Pour réaliser l'ensemble de la méthodologie, un nouveau rôle a été défini, le rôle d'architecte de simulation. Cette thèse présente la méthodologie de manière théorique, incluant ses rôles et concepts, puis cette dernière est démontrée sur un cas d'étude correspondant à l'hybridation d'un drone de type hélicoptère. / The research of alternative aircraft propulsion system is mandatory because oil dependence is too strong. The work proposed in this thesis is oriented to support electric based innovative propulsion system designers. Considering that it is important to consider entire aircraft analysis, we propose a model based, with systems engineering models, physics-based behavioral models and numerical simulation, and collaborative, because design require numerous business expertise. The objective of this approach is to build a virtual product, which means a global multidisciplinary executable model of the product under design in order to facilitate its design. A methodology is then developed, focused on the relation between the virtual product, its constitutive models and their acquisition. The methodology director wire corresponds to information research, with multidisciplinary interactions and impacts in the system, and then the application of those pieces of information to build a model of intention which allows requesting a behavioral model from experts. Finally, it is the missing link between global design driven with systems engineering and real physics based design which is implicitly at stake. To perform the methodology, a new role has been defined, the simulation architect. This thesis presents theoretically the methodology, including roles and concepts, and then this methodology is demonstrated on a helicopter based drone study-case.