La ville est une agrégation urbaine permettant d’offrir divers services à ses citadins. Elle constitue un système complexe qui dépend de plusieurs facteurs sociaux et économiques. La configuration de l’espace influence d’une manière importante l’accessibilité aux différentes fonctionnalités de la ville. L’analyse spatiale de la structure urbaine est réalisée sur les villes afin d’étudier les caractéristiques de l’espace et pouvoir évaluer son potentiel fonctionnel. L’enjeu de la thèse est de proposer une approche d’analyse spatiale qui prenne en compte les différents aspects structurels et sémantiques de la ville. Un modèle basé sur les graphes a été proposé pour représenter le réseau de transport multimodal de la ville qui garantit l’accessibilité aux différents points d’intérêt. Les super-réseaux ont été utilisés pour intégrer la possibilité d’un transfert intermodal dans le modèle de transport par des liens d’interdépendance entre les sous-graphes associés aux différents modes de transport. L’aspect temporel a été représenté dans le modèle par des attributs spécifiant les contraintes temporelles caractérisant le parcours de chaque noeud et chaque arc tels que le temps d’exploration, le temps d’attente et le temps requis pour les pénalités routières. L’aspect fonctionnel est introduit par le concept d’activité. Nous avons proposé un modèle conceptuel qui vise à modéliser les différents éléments contextuels qui peuvent affecter la planification et l’exécution des activités urbaines tels que le cadre spatio-temporel et le profil de l’utilisateur. Ce modèle conceptuel de données a été enrichi par un système de gestion de connaissances qui vise à représenter des informations sur les comportements des individus dans le cadre d’une activité selon les profils et le contexte spatio-temporel. Nous nous basons sur des données collectées dans le cadre d’une enquête de déplacement pour l’extraction de connaissances à l’aide d’algorithmes de classement et de recherche de motifs séquentiels. Les connaissances extraites sont représentées par un système de gestion de règles permettant la planification contextuelle de l’activité à partir d’un programme d’activité adapté à un profil donné, des itinéraires assurant la réalisation de l’activité sont générés en formant un réseau d’activité contextuel. L’algorithme de recherche d’itinéraires s’appuie sur l’algorithme A* qui permet, à travers une fonction heuristique, la réduction de la complexité de la recherche en prenant en compte l’aspect temporel de l’activité et la structure multimodale de réseau. L’expérimentation de l’approche a été réalisée sur quatre villes Françaises dans l’objectif de générer des réseaux thématiques associés aux différentes activités réalisées par des profils différents. L’aspect fonctionnel représenté dans ces réseaux fait l’objet d’une analyse spatiale qui consiste à étudier la configuration de l’espace tout en prenant en compte l’usage contextuel des utilisateurs. L’analyse est basée sur les opérateurs de centralité définis par la syntaxe spatiale ainsi que des opérateurs d’étude de couverture des réseaux thématiques originaux. / The city is an urban aggregation allowing to offer diverse services to his city-dwellers. She establishes a complex system which depends on several social and economic factors. The configuration of the space influences in a important way the accessibility to the various features of the city. The spatial analysis of the urban structure is realized on cities to study the characteristics of the space and be able to estimate its functional potential. The aim of the thesis is to propose an approach to spatial analysis which takes into account the various structural and semantic aspects of the city. A model based on the graphs was proposed to represent the multimodal transport network of the city which guarantees the accessibility to the various points of interest. Super-networks were used to integrate the possibility of an intermodal transfer into the model of transport by links of interdependence between the sub-graphs associated to the various means of transportation. The temporal aspect was represented in the model by attributes specifying the temporal constraints characterizing the itinerary of every node and every edge such as the time of exploration, the waiting time and the time required for the road penalties. The functional aspect is introduced by the concept of activity. We proposed a conceptual model which aims to model the various contextual elements which can affect the planning and the execution of the urban activities such as the spatiotemporal frame and the profile of the user. This model was enriched by knowledge management which aims to represent information about individual behaviors. The extracted knowledge are represented by a management system of rules allowing the contextual planning of the activity.

Soit un réseau comprenant des lignes de communication qui échouent indépendamment, dans lequel tous ou certains sites, appelés terminaux, doivent être capables de communiquer entre eux. Dans le modèle stochastique statique classique le réseau est représenté par un graphe probabiliste dont les arêtes sont présentes selon des probabilités connues. La mesure de fiabilité classique (CLR) est la probabilité que les terminaux appartiennent à la même composante connexe. Dans plusieurs contextes il est utile d'imposer la condition plus forte que la distance entre deux terminaux quelconques soit bornée supérieurement par un paramètre d. La probabilité que ça se produise est connue comme la fiabilité diamètre-bornée (DCR). Il s'agit d'une extension de la CLR. Les deux problèmes appartiennent à la classe NP-difficile de complexité; le calcul exact n'est possible que pour les instances de taille limitée ou topologies spécifiques. Dans cette thèse, nous contribuons des résultats concernant le problème du calcul et l'estimation de la DCR. Nous étudions la complexité de calcul de cas particuliers, paramétré par le nombre de terminaux, nœuds et le paramètre d. Nous passons en revue des méthodes pour le calcul exact et étudions des topologies particulières pour lesquelles le calcul de la DCR a une complexité polynomiale. Nous introduisons des résultats de base sur le comportement asymptotique de la DCR lorsque le réseau se développe comme un graphe aléatoire. Nous discutons sur l'impact de la contrainte de diamètre dans l'utilisation des techniques de Monte Carlo, et adaptons et testons une famille de méthodes basées sur le conditionnement de l'espace d'échantillonnage en utilisant des structures nommées d-pathsets et d-cutsets. Nous définissons une famille de mesures de performabilité qui généralise la DCR, développons une méthode de Monte Carlo pour l'estimer, et présentons des résultats expérimentaux sur la performance de ces techniques Monte Carlo par rapport é l'approche naïve. Finalement, nous proposons une nouvelle technique qui combine la simulation Monte Carlo et l'interpolation polynomiale pour les mesures de fiabilité. / Consider a communication network whose links fail independently and a set of sites named terminals that must communicate. In the classical stochastic static model the network is represented by a probabilistic graph whose edges occur with known probabilities. The classical reliability (CLR) metric is the probability that the terminals belong to a same connected component. In several contexts it makes sense to impose the stronger condition that the distance between any two terminals does not exceed a parameter d. The probability that this holds is known as the diameter-constrained reliability (DCR). It is an extension of the CLR. Both problems belong to the NP-hard complexity class; they can be solved exactly only for limited-size instances or specific network topologies. In this thesis we contribute a number of results regarding the problem of DCR computation and estimation. We study the computational complexity of particular cases parameterized by the number of terminals, nodes and the parameter d. We survey methods for exact computation and study particular topologies for which computing the DCR has polynomial complexity. We give basic results on the asymptotic behavior of the DCR when the network grows as a random graph. We discuss the impact that the diameter constraint has in the use of Monte Carlo techniques. We adapt and test a family of methods based on conditioning the sampling space using structures named d-pathsets and d-cutsets. We define a family of performability measures that generalizes the DCR, develop a Monte Carlo method for estimating it, and present numerical evidence of how these techniques perform when compared to crude Monte Carlo. Finally we introduce a technique that combines Monte Carlo simulation and polynomial interpolation for reliability metrics.

Le premier volet de cette thèse porte sur l'étude de graphes dont les sommets sont colorés. Nous étudions comment la recherche d'ensembles particuliers de sommets est affectée lorsqu'on ajoute la contrainte qu'ils soient tropicaux, c'est à dire contiennent au moins un sommet de chacune des couleurs.Cette contrainte additionnelle tend à fortement augmenter la complexité des problèmes. Par exemple, la recherche d'un plus petit ensemble dominant tropical, et celle d'une plus petite couverture par sommet tropicale, sont APX-complets même restreints aux chemins. La recherche du plus petit sous-graphe connexe tropical d'un graphe est elle NP-complète, même restreinte aux arbres. Cependant, ajouter un contrainte sur le nombre de couleurs permet souvent de réduire la complexité. Par exemple, sans restrictions sur le type de graphes en entrée, la recherche d'un sous-graphe connexe tropical s'effectue en temps polynomial pourvu que le nombre de couleurs reste logarithmique en la taille du graphe. De plus, nous montrons divers résultats structurels qui lient la taille d'un sous-graphe connexe tropical minimum à des paramètres du graphe tels que le nombre de couleurs, le nombre d'arêtes, le degré minimum, ... Dans le second volet, nous étudions des jeux sur des graphes, appelés jeux de défense, où des attaquants ciblent des sommets et des défenseurs protègent des sous-graphes. On s'intéresse à l'existence d'un équilibre de Nash lorsque les défenseurs protègent des chemins de taille au plus p. Lorsque chaque défenseur protège exactement une arête, nous montron<s notamment que déterminer si le jeu pour un graphe G, n défenseurs et k attaquants, admet un équilibre de Nash revient à déterminer si G possède un indépendant dominant de taille inférieure ou égale à k, problème NP-complet dans le cas général.Plus généralement, lorsque les défenseurs protègent des chemins de taille p, l'existence d'un équilibre de Nash dans un jeu avec n défenseurs est liée à la notion de p-indépendant. Un ensemble de sommets est p-indépendant si toutes les paires de sommets sont à distance supérieure à p. Déterminer l'existence d'un p-indépendant maximal de taille inférieure ou égale à k dans un graphe quelconque est NP-complet. Notre algorithme Min2stablemax permet de calculer la taille minimum d'un 2-indépendant maximal dans un arbre. / The first pane of this thesis is on the study of vertex-colored graphs. We look at the tractability of asserting the existence of particular sets of vertices on a graph with the added constraint that the sets must be tropical, i.e. they must contain at least one vertex of each of the colors in the graph.This additional constraint tends to make the problems way less tractable. For instance, finding a minimum tropical dominating set, or a minimum tropical vertex cover, are APX-complete problems even when restricted to paths. Finding the smallest tropical connected subgraph is also NP-complete even when restricted to trees. However, restricting the number of colors will usually make problems more tractable. For instance, finding a connected tropical subgraph (on any graph) can be done in polynomial time as long as the number of colors is logarithmic in the size of the graph. Moreover, we show some structural results that links the size of a minimum connected subgraph to parameters such as the number of colors, the number of edges, the minimum degree…The second pane is on the study of some games on graphs, called defense games, in which multiple attackers target vertices and multiple defenders protect subgraphs.We focus on the existence of a Nash equilibrium when defenders protect paths of size at most p.When each defender protects exactly one edge, we show among other results that the game on a graph G with n defenders and k attackers admits a Nash equilibrium if and only if there exists a dominating set of size at most k in G, which is NP-complete in the general case.Similarly, when each defender protects a path of size at most p, the existence of a Nash equilibrium is linked to the notion of p-independent, i.e. a set of vertices such that every pair of elements of the set is at distance greater than p.Determining the existence of a maximal p-independent of size at most k is NP-complete, but our Min2stablemax algorithm can compute the minimum size of a maximal 2-independent set in a tree.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la coloration circulaire des graphes planaires. Des bornes supérieures ont été données pour des graphes avec degré maximum borné, avec girth, la longueur de son plus petit cycle, bornée, avec des cycles manquants, etc. Ici nous donnerons de nouvelles bornes pour les graphes avec degré moyen maximum borné. Nous étudions également la coloration totale et la coloration (d,1)-totale de plusieurs familles infinies de graphes. Nous décrivons le nouveau concept de coloration (d,1)-totale circulaire. Enfin, nous discutons les conditions nécessaires pour qu'un graphe planaire admette une coloration acyclique par listes de taille 4. / In this thesis, we study the circular coloring of planar graphs. Upper bounds have been given for graphs with bounded maximum degree, with bounded girth, that is the length of its smallest cycle, with missing cycles, and so on. It has also been studied for graphs with bounded maximum average degree. Here we give new upper bounds for that latter case. We also study the total coloring and ($d,1$)-total labeling of a few infinite families of graphs and describe the new concept of circular ($d,1$)-total labeling of graphs. In the last part, we will discuss conditions for a planar graph to be acyclically $4$-choosable.

La simplification syntaxique, ou slicing, est une technique permettant d’extraire, à partir d’un programme et d’un critère consistant en une ou plusieurs instructions de ce programme, un programme plus simple, appelé slice, ayant le même comportement que le programme initial vis-à-vis de ce critère. Les méthodes d’analyse de code permettent d’établir les propriétés d’un programme. Ces méthodes sont souvent coûteuses, et leur complexité augmente rapidement avec la taille du code. Il serait donc souhaitable d’appliquer ces techniques sur des slices plutôt que sur le programme initial, mais cela nécessite de pouvoir justifier théoriquement l’interprétation des résultats obtenus sur les slices. Cette thèse apporte cette justification pour le cas de la recherche d’erreurs à l’exécution. Dans ce cadre, deux questions se posent. Si une erreur est détectée dans une slice, cela veut-il dire qu’elle se déclenchera aussi dans le programme initial ? Et inversement, si l’absence d’erreurs est prouvée dans une slice, cela veut-il dire que le programme initial en est lui aussi exempt ? Nous modélisons ce problème sur un mini-langage impératif représentatif, autorisant les erreurs et la non-terminaison, et montrons le lien entre la sémantique du programme initial et la sémantique de sa slice, ce qui nous permet de répondre aux deux questions précédentes. Pour généraliser ces résultats, nous nous intéressons à la première brique d’un slicer indépendant du langage : le calcul générique des dépendances de contrôle. Nous formalisons une théorie élégante de dépendances de contrôle sur des graphes orientés finis arbitraires prise dans la littérature et améliorons l’algorithme de calcul proposé.Pour garantir un maximum de confiance dans les résultats, tous ces travaux sont prouvés dans l’assistant de preuve Coq ou dans l’outil de preuve Why3. / Program slicing is a technique that extracts, given a program and a criterion that is one or several instructions in this program, a simpler program, called a slice, that has the same behavior as the initial program with respect to the criterion. Program analysis techniques focus on establishing the properties of a program. These techniques are costly, and their complexity increases with the size of the program. Therefore, it would be interesting to apply these techniques on slices rather than the initial program, but it requires theoretical foundations to interpret the results obtained on the slices. This thesis provides this justification for runtime error detection. In this context, two questions arise. If an error is detected in the slice, does this mean that it can also be triggered in the initial program? On the contrary, if the slice is proved to be error-free, does this mean that the initial program is error-free too? We model this problem using a small representative imperative language containing errors and non-termination, and establish the link between the semantics of the initial program and of its slice, which allows to give a precise answer to the two questions raised above. To apply these results in a more general context, we focus on the first step towards a language-independent slicer: an algorithm computing control dependence. We formalize an elegant theory of control dependence on arbitrary finite directed graphs taken from the literature and improve the proposed algorithm. To ensure a high confidence in the results, we prove them in the Coq proof assistant or in the Why3 proof plateform.

L'objectif de ce travail est de développer deux modules pour créer une simulation Monte Carlo ayant comme objectif futur de calculer les doses de radiation d'un traitement en radiothérapie externe. Le premier module permet de lire, modéliser et réduire le nombre de voxels présent dans une série d'images médicales de type DICOM. La réduction doit se faire tout en gardant les informations essentielles pour une simulation Monte Carlo. Un algorithme a été développé pour appliquer une compression de type octree à la distribution des densités électroniques recueillies dans les images de tomodensitométrie. L'image résultante possède ainsi une certaine anisotropie au niveau de la résolution. Des résultats obtenus, la réduction du nombre total de voxels atteinte est de l'ordre de 75% de la taille initiale. Les simulations Monte Carlo démontrent qu'aucune information dosimétrique n'est perdue après la transformation. L'efficacité de la simulation se trouve améliorée tant au niveau de sa rapidité que de son utilisation de la mémoire. Le second module développé est un modèle d'accélérateur linéaire de type Primus (Siemens). Ce modèle permet d'obtenir des distributions de doses pour deux faisceaux de photons d'énergies différentes (6 et 23 megavolts [MV]). Dans les deux cas, les distributions de doses ont été comparées à des mesures expérimentales prises avec une chambre à ionisation. Les distributions de doses dans l'axe central du faisceau ont atteint un niveau de précision de 2%. Au niveau des distributions de doses hors axe, les déviations maximales sont de l'ordre de 5% et de 2mm dans les pénombres. Pour le faisceau de 23 MV, la géométrie présente une asymétrie qui devra être corrigée en modifiant le filtre égalisateur ou en utilisant une source de radiation asymétrique. Dans tous les cas, l'ouverture des collimateurs secondaires devra être optimisée afin d'éliminer les erreurs au niveau de la pénombre. Une fois ces modifications effectuées, les images DICOM compressées avec l'octree pourront être insérées à l'intérieur du modèle de l'accélérateur. Ce faisant, il suffirait d'ajuster la configuration des faisceaux et du patient pour évaluer un traitement en radiothérapie externe.

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Cette thèse est une contribution à la modélisation imbriquée de systèmes complexes. Elle propose une méthodologie globale pour quantifier les incertitudes et leurs origines dans une chaîne de calcul formée par plusieurs modèles pouvant être reliés les uns aux autres de façon complexe. Ce travail est organisé selon trois axes. D’abord, la structure dedépendance des paramètres du modèle, induite par la modélisation imbriquée, est modélisée de façon rigoureuse grâce à la théorie des copules. Puis, deux méthodes d’analyse de sensibilité adaptées aux modèles à paramètres d’entrée corrélés sont présentées : l’une est basée sur l’analyse de la distribution de la réponse du modèle, l’autre sur la décomposition de la covariance. Enfin, un cadre de travail inspiré de la théorie des graphes est proposé pour la description de l’imbrication des modèles. La méthodologie proposée est appliquée à des exemples industriels d’envergure : un modèle multiéchelles de calcul des propriétés mécaniques du béton par une méthode d’homogénéisation et un modèle multiphysique de calcul de dommage sur la culasse d’un moteur diesel. Les résultats obtenus fournissent des indications importantes pour une amélioration significative de la performance d’une structure. / This thesis is a contribution to the nested modelling of complex systems. A global methodology to quantify uncertainties and their origins in a workflow composed of several models that can be intricately linked is proposed. This work is organized along three axes. First, the dependence structure of the model parameters induced by the nested modelling is rigorously described thanks to the copula theory. Then, two sensitivity analysis methods for models with correlated inputs are presented : one is based on the analysis of the model response distribution and the other one is based on the decomposition of the covariance. Finally, a framework inspired by the graph theory is proposed for the description of the imbrication of the models. The proposed methodology is applied to different industrial applications : a multiscale modelling of the mechanical properties of concrete by homogenization method and a multiphysics approach of the damage on the cylinder head of a diesel engine. The obtained results provide the practitioner with essential informations for a significant improvement of the performance of the structure.

Dans cette étude, nous produisons une analyse des réseaux de transport publics (acronyme PTN en anglais) en combinant des outils de la théorie des réseaux complexes, des simulations numériques et des approches analytiques. Nous avons commencé par une analyse empirique des PTN de 14 villes importantes dans le monde et en avons déterminé les principales caractéristiques en termes de réseaux complexes. Cette apporche empirique montre que les PTN apparaissent comme des réseaux ("small world") fortement corrélés avec des "coefficients d'agrégation" élevés et des "distances les plus courtes moyennes" comparativement faibles. Nous avons ensuite introduit divers modèles de PTN à 1 et 2 dimensions. Nous avons poursuivi cette étude en examinant la résistance des PTN à divers scénarios d?attaques, ce qui permet de définir des critères de robustesse des réseaux considérés / In this study, we have performed a comprehensive analysis of public transport networks(PTN) combining tools of complex network theory, computer modelling, and analytical calculations. We have started from an empirical analysis of the PTN of 14 major cities of the world and have determined their principal characteristics in terms of the complex network theory. Our empirical analysis gives a strong evidence, that the networks under consideration appear to be strongly correlated small-world structures with high values of clustering coefficients and comparatively low mean shortest path values. We further have introduced several PTN models. This was done both in 2d and 1d embedding spaces. We continued our analysis by studying the behavior of PTN under attacks. This enabled us to propose criteria that allow an a priori estimate of PTN robustness

L'IRMf de repos qui repose sur l'étude des fluctuations du signal BOLD chez un sujet au repos, pourrait permettre d'explorer les mécanismes du handicap dans la Sclérose En Plaques (SEP). En utilisant l'IRMf de repos, ce travail a eu pour objectif de caractériser la réorganisation fonctionnelle des patients atteints de SEP et ses liens avec leur handicap.Nous avons d'abord réalisé une étude combinant IRMf de repos et d'activation au stade précoce de la SEP et montré l'existence d'une corrélation entre la plasticité fonctionnelle du système moteur des patients au repos et durant la tâche. Nous avons ensuite montré l'existence d'une augmentation diffuse du niveau de connectivité fonctionnelle des patients présentant une SEP débutante, corrélée à leurs performances. Dans la 3ème partie, nous avons objectivé l'existence d'un déclin dynamique de la topologie fonctionnelle corrélée à la progression du handicap grâce à une étude longitudinale utilisant la théorie des graphes. Enfin, nous avons démontré que le gain fonctionnel obtenu par la rééducation chez les patients SEP était corrélé à une augmentation de connectivité fonctionnelle du réseau cérébral par défaut et central exécutif et de densité de substance grise dans le cortex frontal.Nos travaux montrent l'existence d'une réorganisation cérébrale fonctionnelle complexe et dynamique dans la SEP qui pourrait correspondre à des phénomènes compensatoires, dont le déclin avec l'évolution de la maladie participe à la progression du handicap. Ils démontrent l'intérêt de l'IRMf de repos pour la compréhension des substrats anatomo-fonctionnels du handicap dans la SEP et comme potentiel instrument futur d'évaluation thérapeutique. / Resting-state fMRI (rs-fMRI) may provide important clue concerning disability in multiple sclerosis (MS) by exploring the spontaneous BOLD fluctuations at rest in the whole brain. The aim of this work is to depict the functional reorganization of resting-state networks in MS patients and to assess its potential relationships with disability.In the first part, we performed an fMRI protocol combining a rs-fMRI and task-associated fMRI during a motor task, in a group of early MS patients. This study evidenced a direct association between reorganization of connectivity at rest and during activation in the motor system of patients. In the second rs-fMRI study, we evidenced an increased of the global level of connectivity in most of the rs-networks, strongly associated with the level of disability of patients. In the third part, we evidenced in a 2-year longitudinal study using graph theoretical approach that MS patients exhibited a dynamical alteration of functional brain topology that significantly correlated with disability progression. In the last part, we evidenced that the transient clinical improvement following physical rehabilitation in MS patients is associated with reversible plasticity mechanisms located in the default mode network, the central executive network and in the left fronto-orbital cortex. These works evidence that MS patients exhibit a complex and dynamical functional reorganization of rs-networks, significantly associated with disability progression. This PhD thesis confirms that rs-fMRI is a relevant biomarker of pathophysiology leading to disability in MS and represents a promising tool for therapeutic assessment of MS patients in the future.