La nécessité de prendre en considération les aspects sûreté de fonctionnement des systèmes automatisés, dès la phase de conception, pour tendre vers le concept de « systèmes automatisés sûrs de fonctionnement » représente aujourd'hui un enjeu majeur. <br />Nous présentons dans cette Habilitation à Diriger les Recherches le concept de systèmes automatisés sûrs de fonctionnement et procédons à une analyse de la problématique globale de la conception de tels systèmes. Nous identifions clairement les frontières des différents systèmes constituant les systèmes automatisés sûrs de fonctionnement : processus physique, systèmes d'automatisation, systèmes de sécurité, systèmes de contrôlabilité du risque (barrières). Pour ce faire, nous nous appuyons sur la notion de service rendu. <br />Nous introduisons ensuite les différents concepts de sûreté de fonctionnement des systèmes en dégageant deux grands niveaux : la sûreté de fonctionnement prédictive et la gestion de la sûreté de fonctionnement avec prise en compte des risques pour l'Homme et l'environnement. Cette étude aborde les aspects normatifs incontournables pour les systèmes industriels et décline notre point de vue sur la notion de complexité. L'identification de ces grands axes de recherche en conception des systèmes automatisés sûrs de fonctionnement nous permet de situer dans la communauté scientifique nos activités de recherche, dont les contributions et résultats sont présentés dans le mémoire selon deux axes :<br />• L'axe I porte sur la sûreté de fonctionnement de processus physiques avec une application à l'évaluation des paramètres FMD (Fiabilité-Maintenabilité-Disponibilité) des lignes de production dans le but d'en améliorer la performance,<br />• L'axe II porte sur la sûreté de fonctionnement des systèmes d'automatisation à intelligence distribuée avec la proposition d'une démarche de conception de tels systèmes et d'un formalisme pour la spécification des besoins et contraintes d'architecture, l'originalité de cette méthode repose sur la volonté d'obtenir une architecture validée par des paramètres de sûreté quantifiés. <br />De ces travaux découlent nos activités de recherche actuelles et futures relatives à l'analyse systémique de la sûreté de fonctionnement des systèmes complexes et à l'exploration de voies de recherche pour la proposition d'une méthodologie générique, indépendante du domaine d'application, pour la conception de systèmes complexes sûrs de fonctionnement.

La réalisation de systèmes complexes de mesures, de contrôle et de surveillance nécessite une méthodologie de conception rigoureuse et des outils adaptés pour aboutir à un système sans faute. La démarche méthodologique proposée vise à aider à la conception d'un système complexe dédié à la gestion intelligente du confort et à la sécurité des personnes au sein de l'habitat. Cette démarche s'intègre dans un processus d'Ingénierie Système et s'appuie sur les standards UML et SYSML, mais également sur le formalisme HiLes, développé par le LAAS et adapté à la conception de modèle commande, la vérification formelle et la simulation numérique. Ces travaux de thèse présentent les méthodes et les outils de conception préconisés pour un habitat intelligent intégrant les objectifs de confort et de sécurité. Deux expérimentations sont décrites utilisant une commande auto-adaptative basée sur l'apprentissage des habitudes des utilisateurs dans leur environnement de vie et implémentés sur site réel.

Aujourd'hui, l'informatisation des saisies de données et la puissance des systèmes de collecte conduisent à la construction de grandes Bases de Données (BD). L'exploitation de ces millions de données en accidentologie et dans beaucoup d'autres domaines (e.g. management, marketing, etc.) fait appel à des techniques d'Extraction de Connaissances de Données (ECD). La complexité des données, du domaine d'application et des connaissances recherchées rendent fondamentale l'intégration des connaissances expertes dans le processus d'ECD. Cela nécessite la mise en place d'approches, méthodes et techniques d'identification, de représentation et d'opérationnalisation de ces connaissances.<br />Dans ce travail de thèse, nous proposons une nouvelle approche, appelée SAFE-Next (Systemic Approach For Enhanced kNowledge EXTraction, approche systémique pour l'extraction des connaissances) qui intègre les quatre approches suivantes : La première est appelée ASMEC (Approche Systémique de ModElisation des Connaissances). Elle consiste en une méthode de modélisation des connaissances multi-vues et selon une architecture à plusieurs niveaux d'abstraction. La deuxième approche, AICEF (Approche d'Incorporation des Connaissances Expertes dans la Fouille de données), propose l'élaboration et l'utilisation de méta-données multi-vues comme un moyen pour l'incorporation des connaissances formalisées par ASMEC dans le processus d'ECD. La troisième approche, ASAIC (Approche Systémique d'Analyse d'Impact de Changement), utilise le modèle de connaissances d'ASMEC pour une analyse interactive et multi-vues de l'impact d'un changement sur un système. La quatrième approche, ASEM (Approche Systémique d'Evaluation de Modèles), fournit un modèle général d'évaluation de modèles de connaissances. <br />Les fondements épistémologiques et méthodologiques de nos travaux sont respectivement le constructivisme et la systémique (ou cybernétique). En se basant sur ces fondements, nos travaux de recherche ont conduit à des contributions réparties en quatre domaines : En accidentologie, SAFE-Next fournit un outil efficace pour l'élaboration des STA permettant une meilleure analyse et compréhension de l'accident. Elle fournit aussi un moyen de capitalisation des connaissances offrant une vision synthétique des différents types de connaissances du domaine de l'accidentologie. En Ingénierie des Connaissances (IC), SAFE-Next propose un modèle général multi-vues et multi-niveaux d'abstraction de modélisation des connaissances pour le développement des Systèmes à Base de Connaissances (SBC). Elle permet aussi de guider l'élicitation des connaissances selon un modèle multi-vues. En ECD, SAFE-Next propose l'utilisation des métadonnées multi-vues pour l'incorporation des connaissances expertes du domaine dans la première et la dernière phase du processus d'ECD (i.e. préparation des données et interprétation des résultats). En conception de nouveaux systèmes, SAFE-Next fournit à travers les STA un moyen de communication entre les accidentologistes et les concepteurs des systèmes de sécurité embarqués dans les véhicules. Cette interface entre les deux métiers (i.e. conception et accidentologie) permet la construction de l'espace de conception pour développer et évaluer les systèmes de sécurité. Elle offre aussi un moyen d'analyse de l'impact d'un changement (e.g. introduction d'un nouveau système de sécurité) sur le comportement du système Conducteur-Véhicule-Environnement.

Nous étudions principalement les propriétés dynamiques dans le verre de spin quasi-Ising métallique FexTiS2 où les atomes de fer sont insérés par intercalation dans une structure en feuillets. Des mesures d'aimantation statique au SQUID et de caractérisation structurale par diffraction de rayons X (diagramme de poudre, affinement Rietveld) sont présentées afin de comprendre le diagramme de phase. Nous étudions la forme de la relaxation de spin en fonction de la température et de la concentration d'impuretés x. L'intérêt de travailler avec ce type de matériau très anisotrope est de se placer dans les conditions proches des modèles théoriques et des simulations numériques. Ceux-ci, en dessous de la température de gel Tg et à T = Tg, montrent une relaxation de forme algébrique. Afin de sonder la dynamique au-dessus de Tg, nous utilisons les techniques de spectroscopie de dépolarisation de muons (mSR) (pour x = 2, 3 et 5 %) et d'écho de spin de neutrons (NSE) (x = 20 et 36 %). Ces deux procédés d'investigation ensemble donnent accès à une fenêtre de temps qui va de la nanoseconde à la microseconde. Ils révèlent un caractère quasi-statique et une dynamique lente des spins sur une plage importante de température au-dessus de Tg. La forme de la fonction d'autocorrélation dynamique spin-spin q(t) est déterminée grâce à un modèle de dépolarisation de muons. L'analyse des spectres expérimentaux s'appuie sur la comparaison avec les courbes provenant de calculs numériques basés sur ce modèle ainsi que sur les ajustements effectués. Les résultats sont cohérents avec une l'existence fonction q(t) suivant la forme d'Ogielski. Le comportement thermique des paramètres microscopiques est en accord avec les simulations d'Ogielski sur des systèmes Ising 3D. Nous constatons une différence qualitative de la dynamique entre ce composé quasi-Ising et les composés Heisenberg AuFex et AgMnx. Pour ce dernier, l'observation des spectres de dépolarisation indique une relaxation quasi algébrique.

Les Réseaux de Régulation Biologique (RRB) sont communément utilisés en biologie systémique pour modéliser, comprendre et contrôler les dynamiques de production des protéines au sein des cellules. Bien qu'offrant une représentation très abstraite des systèmes biologiques, l'analyse formelle de tels modèles se heurte rapidement à l'explosion combinatoire des comportements engendrés. Cette thèse traite de la modélisation, de la simulation et de la vérification formelle des grands RRB à travers l'introduction d'un nouveau formalisme : les Frappes de Processus. La simplicité de ce formalisme permet notamment l'élaboration d'analyses statiques efficaces des systèmes complexes en général. Cette thèse aborde en premier lieu le raffinement du temps dans les modèles stochastiques via l'introduction d'un facteur d'absorption de stochasticité. Ceci apporte un compromis et une flexibilité entre des spécifications temporelles et stochastiques dans les modélisations hybrides. Une simulation générique (non-markovienne) des calculs de processus est alors proposée et appliquée aux Frappes de Processus. En outre de l'analyse statique des points fixes des Frappes de Processus, cette thèse développe une interprétation abstraite de ces Frappes de Processus permettant des approximations supérieures et inférieures très efficaces de propriétés d'atteignabilité discrète. Cette analyse permet également de faire émerger des composants requis pour la satisfaction de ces propriétés, guidant ainsi le contrôle du système. D'une complexité théorique limitée, cette approche promet de supporter l'analyse de très grands RRB et constitue une ainsi contribution qui ouvre sur de multiples perspectives.

L'intelligence en essaim constitue désormais un domaine à part entière de l'intelligence artificielle distribuée. Les problématiques qu'elle soulève touchent cependant à de nombreux autres domaines ou questions scientifiques. En particulier le concept d'essaim trouve pleinement sa place au sein de la science dites des ``systèmes complexes''. Cette thèse présente ainsi la conception, les caractéristiques et les applications d'un modèle original, le SMA logistique, pour le domaine de l'intelligence en essaim. Le SMA logistique trouve son origine en modélisation des systèmes complexes : il est en effet issu des réseaux d'itérations couplées dont nous avons adapté le modèle de calcul à l'architecture multi-agent. Ce modèle se fonde sur des principes communs à d'autres disciplines, comme la synchronisation et le contrôle paramétrique que nous plaçons au coeur des mécanismes d'auto-organisation et d'adaptation. Du point de vue mathématique, les applications logistiques sont à la base de la formalisation du comportement interne des agents constituant le SMA logistique, tout en prenant place dans un schéma ``influence-réaction''. L'environnement à base de champs est l'autre aspect fondamental du SMA logistique, en permettant la réalisation des interactions indirectes des agents et en jouant le rôle d'une structure de données pour le système. Les travaux décrits dans cette thèse donnent lieu à des applications principalement en simulation et en optimisation, comme c'est le cas pour la plupart des algorithmes du domaine de l'intelligence en essaim. L'intérêt et l'originalité du SMA logistique pour l'intelligence en essaim résident dans l'aspect générique de son schéma théorique qui permet de traiter avec un même modèle des phénomènes considérés a priori comme distincts dans la littérature : phénomènes de ``flocking'' et phénomènes stigmergiques ``fourmis'' à base de phéromones. Ce modèle répond ainsi à un besoin d'explication des mécanismes mis en jeu autant qu'au besoin d'en synthétiser les algorithmes générateurs.

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger les Recherches présente les principales activités de recherche que j'ai menées depuis 2002 en tant que Maître de Conférences, tout d'abord à l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, jusqu'en 2006, puis à l'Université Henri Poincaré dans l'équipe Maia au LORIA. Ce mémoire synthétise une partie de mes contributions au domaine de la résolution collective de problème, en informatique et en robotique. Il s'agit d'une approche inspirée du vivant, reposant sur les interactions d'un grand nombre d'agents simples entre eux et avec leur environnement, capable de faire émerger des structures ou des organisations constituant des solutions à des problèmes donnés. Cette approche est connue pour générer des solutions robustes et auto-adaptatives aux conditions variables et inconnues de l'environnement ou du système. La principale motivation de ces travaux est de modéliser ces comportements d'auto-organisation pour mieux les comprendre et les utiliser dans la définition de processus de résolution de problème ou de contrôle de flottilles de robots. Dans ce cadre, le mémoire présente les recherches menées selon deux approches possibles des interactions entre agents. Dans un premier temps, nous considérons des interactions directes entre agents ou robots, essentiellement par signaux/perceptions, et montrons comment la coordination réactive peut être efficace pour la résolution de problèmes spatiaux, ainsi que pour la navigation en formation. Dans un deuxième temps, nous examinons des modèles de coopération indirecte, c'est-à-dire fondés sur le marquage et la lecture d'informations dans l'environnement. Nous focalisons sur l'étude des processus d'auto-organisation engendrés par ce principe, puis examinons des approches pour leur implémentation réelle et robotique. Enfin, le mémoire présente mes perspectives de recherche en détaillant des pistes pour la définition d'une approche générique de résolution collective de problème fondée sur la construction de champs dynamiques dans l'environnement, et pour son déploiement en robotique dans des environnements réels et large échelle.

Les systèmes complexes sont présents partout dans notre environnement : internet, réseaux de distribution d'électricité, réseaux de transport. Ces systèmes ont pour caractéristiques d'avoir un grand nombre d'entités autonomes, des structures dynamiques, des échelles de temps et d'espace différentes, ainsi que l'émergence de phénomènes. Ce travail de thèse se focalise sur la problématique du contrôle de tels systèmes. Il s'agit de déterminer, à partir d'une perception partielle de l'état du système, quelle(s) actions(s) effectuer pour éviter ou au contraire favoriser certains états globaux du système. Cette problématique pose plusieurs questions difficiles : pouvoir évaluer l'impact au niveau collectif d'actions appliqués au niveau individuel, modéliser la dynamique d'un système hétérogène (plusieurs comportements différents en interaction), évaluer la qualité des estimations issues de la modélisation de la dynamique du système. Nous proposons une architecture de contrôle selon une approche " equation-free ". Nous utilisons un modèle multi-agents pour évaluer l'impact global d'actions de contrôle locales avant d'appliquer la plus pertinente. Associée à cette architecture, une plateforme a été développée pour confronter ces idées à l'expérimentation dans le cadre d'un phénomène simulé de " free-riding " dans les réseaux d'échanges de fichiers pair à pair. Nous avons montré que cette approche permettait d'amener le système dans un état où une majorité de pairs partagent alors que les conditions initiales (sans intervention) feraient évoluer le système vers un état où aucun pair ne partage. Nous avons également expérimenté avec différentes configurations de l'architecture pour identifier les différents moyens d'améliorer ses performances.

L'origine microscopique du ralentissement de la dynamique dans les systèmes vitreux peut être attribuée à la nature hétérogène de la dynamique apparaissant à l'approche de la température de transition vitreuse. Dans ce travail, nous caractérisons cette hétérogénéité dynamique dans le cadre d'une dynamique hors-équilibre en nous basant sur l'étude numérique et analytique de modèles à contraintes cinétiques. Nous mesurons ainsi le temps de vie de l'hétérogénéité dynamique et démontrons que dans le cas des verres fragiles, il augmente plus rapidement que le temps de relaxation du système. Nous caractérisons aussi les régimes de vieillissement des modèles étudiés en établissant l'existence d'un lien avec la dynamique de modèle de marcheurs aléatoires. Enfin nous mesurons la violation du théorème fluctuation-dissipation et montrons que le signe négatif des températures effectives trouvées est une conséquence directe de la nature thermiquement activée de la dynamique.

Pour mettre en relation les propriétés rhéologiques et la structure méso/microscopique d'un système modèle ou complexe, l'utilisation de la rhéo-optique est indispensable. Nous avons donc développé une cellule d'observation sous cisaillement adaptée à la microscopie confocale. Ce dispositif, breveté et nommé RheOptiCAD®, permet le cisaillement contrôlé d'un échantillon quelconque placé entre 2 plans parallèles en translation. Grâce à un système à dépression, la mise en place de l'échantillon est simple et rapide tout en assurant des propriétés optiques répétables et reproductibles (planéité, parallélisme). Par ailleurs, la température au sein de l'échantillon peut être régulée de façon à imposer une contrainte thermique, cause de nombreuses modifications de la mésostructure d'un système alimentaire. La cellule d'observation sous cisaillement permet donc de suivre l'évolution et la dynamique des changements de structures conséquences d'un traitement thermo-mécanique imposé. Un logiciel de pilotage et d'acquisition des données a été développé pour rendre son utilisation plus conviviale. La validation du fonctionnement de l'outil et de ses fonctionnalités a tout d'abord été réalisée sans échantillon puis à l'aide d'un système modèle contenant des particules fluorescentes dont le mouvement était suivi. Par la suite, dans le but de tester les potentialités de ce nouvel outil tout en développant la méthodologie de son utilisation, et en particulier l'équilibre entre propriétés optiques et mécaniques des échantillons, nous avons travaillé avec de la pâte de farine. Ce système alimentaire bien connu et maîtrisé d'un point de vue rhéologique au laboratoire présente des caractéristiques intéressantes dans ce cadre. L'évolution du réseau de gluten au cours d'un cisaillement oscillatoire en fonction de la formulation de la pâte a été étudiée. Grâce à une analyse d'image basée sur la morphologie mathématique, nous avons pu mettre en évidence des changements de structures au cours du temps. De même, à l'aide des capacités thermiques de la cellule de cisaillement, nous avons étudié le positionnement et le mouvement des lipides endogènes à l'interface air-protéine lors de la fermentation. Notre cellule d'observation sous cisaillement constitue donc un nouvel outil de caractérisation dynamique de systèmes complexes couplant rhéologie et microscopie. Son optimisation principale réside dans la mise en place d'un capteur de force, mesurant les contraintes mises en jeu lors des déformations imposées.