Cette thése traite du contrôle de la formation et du confinement variant dans le temps pour les systèmes multi-agents linéaires invariants avec hétérogénéité en tenant compte des délais d’entrée / sortie constants / variables dans le temps et des perturbations adaptées / incompatibles sous topologie de communication dirigée et fixe. De nouveaux formats de formes de formation variables dans le temps pour des systèmes homogènes et hétérogènes sont proposés. Les contrôleurs, conçus sur la base de techniques prédictives et adaptatives avec une technique d’observation, sont entièrement distribués et peuvent être appliqués à des systèmes à grande échelle. L’application sur les systèmes robotisés multi hétérogènes linéarisés est vérifiée. / This thesis deals with the time-varying formation and containment control for linear time-invariant multi-agent systems with heterogeneity considering constant / time-varying input / output delays and matched / mismatched disturbances under directed and fixed communication topology. New formats of time-varying formation shapes for homogeneous and heterogeneous systems are proposed. The controllers, which are designed based on predictive and adaptive techniques with observer technique, are fully distributed and can be applied to large-scale systems. The application on linearized heterogeneous multi mobile robot systems is verified.

Considérant un point de vue général de cette thèse aborde le problème de trouver, à partir d'un ensemble de blocs de construction, un sous-ensemble qui procure une solution à un problème donné. Ceci est fait en tenant compte de la compatibilité de chacun des blocs de construction par rapport au problème et l'aptitude d'interaction entre ces parties pour former ensemble une solution. Dans la perspective notamment de la thèse sont les blocs de construction de méta-modèles et le problème donné est une description d'un problème peut être résolu en utilisant un logiciel et d'être résolu en utilisant un système multi-agents. Le noyau de la proposition de thèse est un processus qui analyse un problème donné et puis il proposé une solution possible basée sur système multi-agents pour ce problème. Il peut également indiquer que le problème ne peut être résolu par ce paradigme. Le processus adressée par la thèse consiste en les étapes principales suivantes: (1) A travers un processus de caractérisation on analyse la description du problème pour localiser le domaine de solutions, puis choisissez une liste de candidats des méta-modèles. (2) Les caractérisations de méta-modèles candidats sont prises, ils sont définis dans plusieurs domaines de la solution. On fait la chois parmi le domaine trouvé dans la étape précédant. (3) On crée un système multi-agents où chaque agent représente un candidat méta-modèle. Dans cette société les agents interagissent les uns avec les autres pour trouver un groupe de méta-modèles qui est adapté pour représenter une solution donnée. Les agents utilisent des critères appropriés pour chaque méta-modèle à représenter. Il évalue également la compatibilité des groupes créés pour résoudre le problème de décider le groupe final qui est la meilleure solution. Cette thèse se concentre sur la fourniture d'un processus et un outil prototype pour résoudre plutôt la dernière étape de la liste. Par conséquent, le chemin proposé a été créé à l'aide de plusieurs concepts de la méta-analyse, l'intelligence artificielle de coopération, de la cognition bayésienne, incertitude, la probabilité et statistique. / From a general point of view this thesis addresses an automatic path to build a solution choosing a compatible set of building blocks to provide such a solution to solve a given problem. To create the solution it is considered the compatibility of each available building block with the problem and also the compatibility between each building block to be employed within a solution all together. In the particular perspective of this thesis the building blocks are meta-models and the given problem is a description of a problem that can be solved using software using a multi-agent system paradigm. The core of the thesis proposal is the creation of a process based on a multi-agent system itself. Such a process analyzes the given problem and the available meta-models then it matches both and thus it suggests one possible solution (based on meta-models) for the problem. Nevertheless if no solution is found it also indicates that the problem can not be solved through this paradigm using the available meta-models. The process addressed by the thesis consists of the following main steps: (1) Through a process of characterization the problem description is analyzed in order to locate the solution domain and therefore employ it to choose a list of most domain compatible meta-models as candidates. (2) There are required also meta-model characterization that evaluate each meta-model performance within each considered domain of solution. (3) The matching step is built over a multi-agent system where each agent represents a candidate meta-model. Within this multi-agent system each agent interact with each other in order to find a group of suitable meta-models to represent a solution. Each agent use as criteria the compatibility between their represented candidate meta-model with the other represented meta-models. When a group is found the overall compatibility with the given problem is evaluated. Finally each agent has a solution group. Then these groups are compared between them in order to find the most suitable to solve the problem and then to decide the final group. This thesis focuses on providing a process and a prototype tool to solve the last step. Therefore the proposed path has been created using several concepts from meta-analysis, cooperative artificial intelligence, Bayesian cognition, uncertainty, probability and statistics.

Au cours des dernières années, les problèmes multi-agents ont été étudiés de manière intensive par la communauté de la théorie du contrôle. L'un des sujets les plus populaires est le problème de consensus où un groupe d'agents parvient à un accord sur la valeur d'un certain paramètre ou d’une variable. Dans ce travail, nous nous concentrons sur le consensus des réseaux d'agents avec une dynamique non linéaire de poursuite de référence. Nous utilisons des interactions sporadiques modélisées par la détection relative, pour traiter le consensus décentralisé des références. La référence est donc utilisée pour alimenter la dynamique de poursuite de chaque agent. L'analyse de stabilité du système globale a nécessitée l'utilisation d'outils théoriques propre de la théorie des systèmes hybrides, en raison de la double nature de l'approche en deux étapes. L'analyse est effectuée en tenant compte de différents scénarios de topologie et interactions. Pour chaque cas, une condition suffisante de stabilité est fournie, en termes de temps minimum autorisé entre deux mises à jour de référence consécutives. Le cadre proposé est appliqué aux missions de rendez-vous et de réalisation de formation pour les robots mobiles non-holonomes. Le même problème est abordé dans le contexte d'une application réelle sur le terrain, à savoir un système de gestion de flotte pour un groupe de véhicules robotisés déployés dans un environnement industriel à des fins de surveillance et de collecte de données. Le développement d'une telle application a été motivé par le fait que cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet FFLOR, développé par le département de recherche technologique du CEA tech. / Over the last years, multi-agents problems have been extensively studied from the control theory community. One of the most popular multi-agents control topics is the consensus problem where a group of agents reaches an agreement over the value of a certain parameter or variable. In this work we focus our attention on the consensus problem of networks of non-linear reference tracking agents. In first place, we use sporadic interactions modeled by relative sensing to deal with the decentralized consensus of the references. The reference is therefore feeded the tracking dynamics of each agent. Differently from existent works, the stability analysis of the overall system required the usage of hybrid systems theory tools, due to dual nature of the two stages approach. The analysis is carried out considering different scenarios of network topology and interactions. For each case a stability sufficient condition in terms of the minimum allowed time between two consecutive reference updates is provided. The proposed framework is applied to the rendez-vous and formation realisation tasks for non-holonomic mobile robots, which appear among the richest research topics in recent years. The same problem is addressed in the context of a real field application, namely a fleet management system for a group of robotic vehicles deployable in an industrial environment for monitoring and data collection purpose. The development of such application was motivated by the fact that this thesis is part of the Future of Factory Lorraine (FFLOR) project, developed by the technological research department of the Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA tech).

La simulation constitue une approche majeure pour la conception, le développement, l’analyse et l’évolution des systèmes urbains. Dans le contexte de cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation des déplacements de flux (piéton, véhicule, cycle) au sein d’environnements urbains. Le contexte industriel dans lequel s’inscrit également cette thèse impose de considérer les déplacements de chaque entité dans un univers modélisé en trois dimensions. Nous proposons d’aborder les nombreux défis scientifiques et technologiques en modélisant les flux sous la forme d’entités autonomes appelées agents. La simulation orientée-agent nécessite de définir trois mécanismes principaux : le comportement des agents, leurs interactions avec les autres agents et leurs interactions avec l’environnement dans lequel ils évoluent. Ce dernier modélise la structure du monde ainsi que sa dynamique endogène. Malheureusement, il reste difficile de trouver des modèles d’environnement répondant aux différentes problématiques scientifiques et technologiques abordées dans cette thèse. Par conséquent, nous proposons un modèle d'environnement, nommé HEDGE (HEterogenous Dual Graph Environment). Il est basé sur une décomposition de l’environnement en zones reliées par des liens de navigation et de perception. Cette structure de graphe est au centre de notre modèle. Elle a été conçue pour permettre une modélisation naturelle de l’environnement et une simulation efficace du système constitué par cet environnement et les agents. Les missions et les processus dynamiques de l’environnement sont modélisés à l’aide de mécanismes inspirés des lois de la Physique. Les actions fournies par les agents et par les algorithmes calculant la dynamique endogène de l’environnement sont des forces à appliquer aux objets du monde. Un modèle de détection et de résolution de conflits entre ces forces est utilisé afin de garantir un état cohérent du modèle de l’environnement. Dans la dernière partie de cette thèse, nous illustrons l’utilisation du modèle HEDGE dans le cadre de deux projets d’aménagement de la ville de Belfort et de sa communauté d’agglomérations Le produit de l’application de ce modèle est utilisé à des fins d’études techniques (études préliminaires, avant-projet), de communication (concertations et débats publics) et de promotion (expositions, valorisation) sous la forme de logiciels interactifs en 3D. / Simulation constitutes a major approach for the conception, development, analysis and evolution of urban systems. This thesis focusses on the modeling and simulation of movements (pedestrian, vehicle, cycle) within urban environments. The industrial context associated with this thesis requires to consider the movements of each entity in a three dimensional universe. In this thesis, we propose to address the scientific and technological challenges by using autonomous entities, called agents, to model the individuals. In agent-based simulation three elements must be defined: the agent behaviors, their interactions with other agents, and with the environment. The environment models the structure of the world and its endogenous dynamics. Unfortunately, it is still difficult to find an environment model that answers all the different scientific and technological problems addressed in this thesis. Consequently, an environment model named HEterogenous Dual Graph Environment (or HEDGE) is proposed. The HEDGE model is based on a decomposition of the environment using zones that are linked with navigation and perception links. This graph structure is at the center of our model. It is designed to “naturally” model the environment, and it allows an efficient simulation of the system composed of the environment and the agents. The environment’s missions and dynamic processes are modeled using mechanisms, which are inspired by the laws of Physics. The actions provided by the agents and the endogenous dynamics algorithms correspond to physical forces to apply to objects in the world. A model of conflict detection and resolution between those forces is used to ensure the coherence of the environment model state. In the last part of this thesis, the HEDGE model is used in the context of two urban planning projects in the city of Belfort, and its metropolitan area. The product of this model’s application is used in the context of technical studies (preliminary studies, pre-project), communication (consultation and public debates) and promotion (exposition, valorization) in the form of interactive 3D software.

Le diagnostic et la prise en charge des infections ostéo-articulaires (IOA) sont souvent complexes occasionnant une perte osseuse irréversible. La variabilité intra et inter-patient en terme de présentation clinique rend impossible le recours à une description systématique ou à une analyse statistique pour le diagnostic et l'étude de cette pathologie. Le développement d'IOA résulte d'interactions complexes entre les mécanismes cellulaires et moléculaires du tissu osseux et les bactéries. L'objectif de cette thèse est de modéliser l'IOA afin de simuler le comportement du système suite à des interactions au niveau cellulaire et moléculaire en utilisant l'approche de modélisation à base d'agents. Nous avons utilisé une méthode basée sur l'analyse bibliographique pour extraire les caractéristiques du modèle et les utiliser pour deux aspects. Le premier consiste en l'élaboration de la structure du modèle en identifiant les agents et les interactions, et le deuxième concerne l'estimation quantitative des différents paramètres du modèle. La réponse du système BJI aux différentes tailles d’inoculum bactérien a été simulée par la variation de différents paramètres. L'évolution des agents simulés a ensuite été analysée en utilisant une modélisant par des systèmes dynamiques non linéaires et une méthodologie "Datadriven", grâce auxquelles nous avons décrit le système d'IOA et identifié des relations plausibles entre les agents. Le modèle a réussi à présenter la dynamique des bactéries, des cellules immunitaires innées et des cellules osseuses au cours de la première étape de l'IOA et pour différentes tailles d'inoculum bactérien. La simulation a mis en évidence les conséquences sur le tissu osseux résultant du processus de remodelage osseux au cours de l'IOA. Ces résultats peuvent être considérés comme une base pour une analyse plus approfondie et pour la proposition de différentes hypothèses et scénarios de simulation qui pourraient être étudiés dans ce laboratoire virtuel. / Bone and joint infections are one of the most challenging bone pathologies that associated with irreversible bone loss and long costly treatment. The high intra and inter patient's variability in terms of clinical presentation makes it impossible to rely on the systematic description or classical statistical analysis for its diagnosis or studying. The development of BJI encompasses a complex interplay between the cellular and molecular mechanisms of the host bone tissue and the infecting bacteria. The objective of this thesis is to provide a novel computational modeling framework that simulates the behavior resulting from the interactions on the cellular and molecular levels to explore the BJI dynamics qualitatively and comprehensively, using an agent-based modeling approach. We relied on a meta-analysis-like method to extract the quantitative and qualitative data from the literature and used it for two aspects. First, elaborating the structure of the model by identifying the agents and the interactions, and second estimating quantitatively the different parameters of the model. The BJI system’s response to different microbial inoculum sizes was simulated with respect to the variation of several critical parameters. The simulation output data was then analyzed using a data-driven methodology and system dynamics approach, through which we summarized the BJI complex system and identified plausible relationships between the agents using differential equations. The BJI model succeeded in imitating the dynamics of bacteria, the innate immune cells, and the bone cells during the first stage of BJI and for different inoculum size in a compatible way. The simulation displayed the damage in bone tissue as a result of the variation in bone remodeling process during BJI. These findings can be considered as a foundation for further analysis and for the proposition of different hypotheses and simulation scenarios that could be investigated through this BJI model as a virtual lab.

Cette thèse porte sur la modélisation de la membrane interne mitochondriale et des complexes enzymatiques de la chaîne respiratoire imbriqués dans cette bicouche phospholipidique. Une alternative aux techniques de la mécanique moléculaire qui représentent les objets biologiques au niveau atomique sont les modèles à grains d'atomes, ou modèles « gros grains », qui offrent la possibilité d'étudier les phénomènes biologiques à des échelles de temps de l'ordre du dixième de microseconde et d'espace de l'ordre du dixième de micromètre, ce qui correspond à des valeurs beaucoup plus proches de celles nécessaires pour l'étude de phénomènes comme la formation de replis de la membrane. Le modèle proposé représente les phospholipides, constituants de la membrane, sous la forme de trimères rigides rectilignes avec un solvant implicitement modélisé. Ce modèle gros grains donne lieu à une conception orientée agent qui est implémentée sous la forme d'un Système Multi-Agents (SMA) appelé MitoMAS. Des différentes simulations réalisées avec MitoMAS, nous pouvons retenir que l'hydrophobie des phospholipides peut être modélisée avec un solvant implicite comme l'atteste l'apparition de micelles à partir d'une mixture initiale. Une distance de coupure (« cutoff » ) pour les potentiels intermoléculaires d'1nm se révèle être un bon compromis entre réalisme et efficacité des simulations. Sous certaines contraintes de pression latérale, les bicouches forment des replis semblables à ceux de la membrane interne. Les simulations de systèmes hétérogènes nous ont permis de retrouver les observations de radeaux (portions membranaires constituées d'un seul type de phospholipide) et celles de systèmes mixtes phospholipides/protéines, le confinement des complexes intramembranaires dans les replis de la bicouche lipidique. Les perspectives sont nombreuses. Outre l'exploration « in silico » de nouveaux potentiels et de leurs paramètres, il est possible d'envisager des modèles mixtes type gros grains / surfaces maillées afin d'étudier l'interactome d'une cellule.

Dans une perspective de report modal, la performance adaptative est un facteur important du développement des systèmes de transports collectifs. Il est donc fondamental de disposer d'outils permettant d'évaluer leur vulnérabilité à des perturbations et le rôle de certaines actions comme l'information des voyageurs. Le modèle PERTURB et la plate-forme de simulation, développés dans le cadre de cette recherche, ont ainsi pour objet de mesurer la vulnérabilité structurelle et fonctionnelle des transports en commun ainsi que le rôle de l'information des voyageurs dans la régulation de situations perturbées. Trois champs théoriques sont mobilisés : théorie des systèmes, théorie des graphes et systèmes multi-agents. Les simulations sont réalisées sur un terrain d'étude (Île-de-France) et des systèmes de transport théoriques. Elles permettent d'effectuer des préconisations en matière d'Aménagement des transports et d'information des voyageurs mais suscitent également de nouvelles interrogations. Comment intégrer l'information des voyageurs dans l'optimisation du traitement des situations perturbées ? Comment concilier une transparence de l'information et éviter des reports trop massifs de flux de voyageurs ?

Ce travail répond à un intérêt des concepteurs de systèmes multi-agents pour la validation de modèles de comportements collectifs, la modélisation des stratégies individuelles, la traduction informatique des interactions entre agents et les conditions d'émergence de solutions collectives. Les simulations multi-agents participatives sont des expériences construites pour explorer, modéliser et reproduire dans les systèmes multi-agents les capacités d'innovation mises en œuvre par les groupes sociaux pour résoudre collectivement des problèmes, et dans lesquelles des participants humains accèdent à la simulation comme des agents logiciels. Toutes les interactions prennent la forme d'interactions entre agents et sont enregistrées. Ces simulations permettent de valider des modèles de résolution collective de problèmes, de faire expliciter les stratégies des participants et de déterminer des conditions suffisantes pour qu'émergent des stratégies collectives. Les enregistrements ont permis de mettre au point une technique d'extraction automatique de motifs d'interaction et d'isoler trois propriétés nécessaires d'un langage qui décrirait ces interactions. Des simulations multi-agents ont par la suite vérifié que les comportements qui émergent lors des expériences peuvent se révéler plus efficaces que les comportements du modèle initial.

Cette thèse porte sur l'utilisation de systèmes multi-agents (SMA) pour l'aide à la décision et la négociation en aménagement du territoire, et a été conduite en collaboration avec la société CERREP SA. Dans une première partie, nous présentons les problèmes de l'expertise, de la décision et de la négociation pour des projets d'infrastructures linéaires. Puis nous introduisons les SMA, avec une définition orientée vers la conception. Nous proposons diverses références sociologiques pour structurer l'analyse des systèmes sociaux artificiels. Dans une deuxième partie, nous abordons l'utilisation de SMA, pour la modélisation, la simulation et la résolution de problèmes, mais aussi la dialectique entre SMA réactifs et cognitifs et l'apport de la sociologie. Nous présentons la bibliothèque SMARRPS dédiée à la résolution de problèmes spatialisés. Et nous poursuivons avec trois modèles formels abordant le problème de la convergence. Dans une troisième partie, nous décrivons deux applications réalisées : tout d'abord, le système SMAALA, pour l'aide à la localisation d'infrastructures. Ce système d'aide à l'expertise, calcule les ensembles de choix possibles (fuseaux) à partir de cartes de sensibilité environnementale de contraintes structurelles, et de descriptions des préférences des acteurs. Il s'appuie sur une architecture SMARRPS, proche des représentations utilisées par les experts, ajustable dynamiquement, et autorisant la spécification de contraintes hétérogènes. Puis nous présentons SANPA, un système pour l'aide à la négociation de projets en aménagement , de façon distribuée et asynchrone (sur internet). Ce système s'appuie sur une communauté d'agents assistants, échangeant avec un agent gestionnaire de projets, et des structures de type SMAALA pour la représentation spatiale. SANPA utilise des messages structurés, fondés sur la théorie des actes de langage. Nous concluons en indiquant les perspectives d'intégration de systèmes d'information en environnement sur les bases multi-agents.

Nous présentons un modèle numérique d'économie de marché décentralisée, fonctionnant hors de l'équilibre, composée de deux grands groupes d'agents (entreprises et ménages) auxquels sont respectivement associées deux fonctions économiques principales (production et consommation). Ces fonctions s'exercent dans le respect des règles des économies capitalistes (propriété privée des moyens de production, échanges monétaires, salariat). Les agents sont des individus en interaction directe et indirecte (et non des agents représentatifs ou des agrégats), chacun poursuivant son propre but, agissant en fonction de son état individuel et de l'environnement proche, sans se préoccuper du tout de l'équilibre général du système et sans contrôle supérieur (ni de la part d'un planificateur, ni d'un commissaire-priseur). Le modèle respecte les trois principes essentiels des économies monétaires: - le processus de production prend du temps et les entreprises ont besoin de crédit pour lancer ce processus; - la monnaie est endogène, elle est créée par le crédit bancaire à la production; - les entreprises sont guidées par le motif de profit et ce profit est monétaire. Implémenté en Java, le modèle se présente comme un laboratoire virtuel permettant de conduire de véritables expériences "in silico". Les interactions réelles et monétaires entre les agents (multiples, hétérogènes, autonomes et concurrents) forment un système dynamique et complexe dont les propriétés macroéconomiques ne sont pas postulées. Nous reconstruisons ainsi les conditions de l'émergence de comportements macroéconomiques inobservables dans les modèles basés sur les notions d'agent représentatif et d'équilibre général.