Cette thèse vise à développer des stratégies permettant d'augmenter la puissance du calcul séquentiel et des systèmes distribués, elle traite en particulier, la décomposition séquentielle des opérations ainsi que des systèmes d'édition collaboratifs décentralisés. Nous introduisons, une méthode d'indexage avec précision contrôlée. Celle-ci permet la génération d'identifiants uniques utilisés dans l'indexage des communications dans les systèmes distribués, plus particulièrement dans les systèmes d'édition collaboratifs décentralisés. Ces identifiants sont des nombres réels avec un motif de précision contrôlé. Un ensemble fini d'identifiants est conservé pour permettre le calcul de cardinalités locales et globales. Cette propriété joue un rôle prépondérant dans la gestion des communications indexées. De plus, d'autres propriétés incluant la préservation de l'ordre sont observées. La méthode d'indexage a été testée et vérifiée avec succès. Ceci a permis la conception d'un système d'édition collaboratif décentralisé. Aussi, nous explorons les stratégies existantes, relatives a la décomposition séquentielle d'opérations, que nous étendons à de nouvelles stratégies. Ces stratégies mènent à une optimisation (processeur, compilateur, mémoire, code). Ces styles de décomposition portent un intérêt majeur à la communauté scientifique. Des recherches et des implémentations de plus en plus rapides résultent de la conception d'unité arithmétique. / This thesis aims at developing strategies to enhance the power of sequential computation and distributed systems, particularly, it deals with sequential break down of operations and decentralized collaborative editing systems. In this thesis, we introduced precision control indexing method that generates unique identifiers which are used for indexed communication in distributed systems, particularly, in decentralized collaborative editing systems. These identifiers are still real numbers with a specific controlled pattern of precision. Set of identifiers is kept finite that makes it possible to compute local as well as global cardinality. This property plays important role in dealing with indexed communication. Besides this, some other properties including order preservation are observed. The indexing method is tested and verified by experimentation successfully and it leads to design decentralized collaborative editing system. Dealing with sequential break down of operations, we explore limitations of the existing strategies, extended the idea by introducing new strategies. These strategies lead towards optimization (processor, compiler, memory, code). This style of decomposition attracts research communities for further investigation and practical implementation that could lead towards designing an arithmetic unit.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à des problèmes à la croisée de deux domaines, les bases de données et les bases de connaissances. Nous considérons deux problèmes équivalents concernant les requêtes conjonctives avec négation : l'inclusion de requêtes et l'évaluation d'une requête booléenne sous l'hypothèse du monde ouvert. Nous reformulons ces problèmes sous la forme d'un problème de déduction dans un fragment de la logique du premier ordre. Puis nous raffinons des schémas d'algorithmes déjà existants et proposons de nouveaux algorithmes. Pour les étudier et les comparer expérimentalement, nous proposons un générateur aléatoire et analysons l'influence des différents paramètres sur la difficulté des instances du problème étudié. Finalement, à l'aide de cette méthodologie expérimentale, nous comparons les apports des différents raffinements et les algorithmes entre eux. / In this thesis, we consider problems at the intersection of two areas: databases and knowledge bases. We focus on two equivalent problems on conjunctive queries with negation : query containment and query answering with boolean queries while making the open-world assumption. We reformulate these problems as a problem of deduction in a first order logic fragment. Then we refine existing algorithm schemes and propose new algorithms. To study and compare them experimentally, we propose a random generator and we analyze the influence of parameters on problem instances difficulty. Finally, we analyse the contributions of the different refinements and we compare experimentally the algorithms.

Les robots mobiles à roues orientables gagnent de la mobilité en employant des roues conventionnelles entièrement orientables, comportant deux joints actifs, un pour la direction et un autre pour la conduite. En dépit d'avoir seulement un degré de mobilité (DOM) (défini ici comme degrés de liberté instantanément autorisés DOF), correspondant à la rotation autour du centre de rotation instantané (ICR), ces robots peuvent effectuer des trajectoires planaires complexes de $ 2D $. Ils sont moins chers et ont une capacité de charge plus élevée que les roues non conventionnelles (par exemple, Sweedish ou Omni-directional) et, en tant que telles, préférées aux applications industrielles. Cependant, ce type de structure de robot mobile présente des problèmes de contrôle textit {basic} difficiles de la coordination de la direction pour éviter les combats d'actionneur, en évitant les singularités cinématiques (ICR à l'axe de la direction) et les singularités de représentation (du modèle mathématique). En plus de résoudre les problèmes de contrôle textit {basic}, cette thèse attire également l'attention et présente des solutions aux problèmes de textit {niveau d'application}. Plus précisément, nous traitons deux problèmes: la première est la nécessité de reconfigurer "de manière discontinue" les articulations de direction, une fois que la discontinuité dans la trajectoire du robot se produit. Une telle situation - la discontinuité dans le mouvement du robot - est plus susceptible de se produire de nos jours, dans le domaine émergent de la collaboration homme-robot. Les robots mobiles qui fonctionnent à proximité des travailleurs humains en mouvement rapide rencontrent généralement une discontinuité dans la trajectoire calculée en ligne. Le second apparaît dans les applications nécessitant que l'angle de l'angle soit maintenu, certains objets ou fonctionnalités restent dans le champ de vision (p. Ex., Pour les tâches basées sur la vision) ou les changements de traduction. Ensuite, le point ICR est nécessaire pour déplacer de longues distances d'un extrême de l'espace de travail à l'autre, généralement en passant par le centre géométrique du robot, où la vitesse du robot est limitée. Dans ces scénarios d'application, les contrôleurs basés sur l'ICR à l'état de l'art conduiront à des comportements / résultats insatisfaisants. Dans cette thèse, nous résolvons les problèmes de niveau d'application susmentionnés; à savoir la discontinuité dans les commandes de vitesse du robot et une planification meilleure / efficace pour le contrôle du mouvement du point ICR tout en respectant les limites maximales de performance des articulations de direction et en évitant les singularités cinématiques et représentatives. Nos résultats ont été validés expérimentalement sur une base mobile industrielle. / Steerable wheeled mobile robots gain mobility by employing fully steerable conventional wheels, having two active joints, one for steering, and another for driving. Despite having only one degree of mobility (DOM) (defined here as the instantaneously accessible degrees of freedom DOF), corresponding to the rotation about the instantaneous center of rotation (ICR), such robots can perform complex $2D$ planar trajectories. They are cheaper and have higher load carrying capacity than non-conventional wheels (e.g., Sweedish or Omni-directional), and as such preferred for industrial applications. However, this type of mobile robot structure presents challenging textit{basic} control issues of steering coordination to avoid actuator fighting, avoiding kinematic (ICR at the steering joint axis) and representation (from the mathematical model) singularities. In addition to solving the textit{basic} control problems, this thesis also focuses attention and presents solutions to textit{application level} problems. Specifically we deal with two problems: the first is the necessity to "discontinuously" reconfigure the steer joints, once discontinuity in the robot trajectory occurs. Such situation - discontinuity in robot motion - is more likely to happen nowadays, in the emerging field of human-robot collaboration. Mobile robots working in the vicinity of fast moving human workers, will usually encounter discontinuity in the online computed trajectory. The second appears in applications requiring that some heading angle is to be maintained, some object or feature stays in the field of view (e.g., for vision-based tasks), or the translation verse changes. Then, the ICR point is required to move long distances from one extreme of the workspace to the other, usually passing by the robot geometric center, where the feasible robot velocity is limited. In these application scenarios, the state-of-art ICR based controllers will lead to unsatisfactory behavior/results. In this thesis, we solve the aforementioned application level problems; namely discontinuity in robot velocity commands, and better/efficient planning for ICR point motion control while respecting the maximum steer joint performance limits, and avoiding kinematic and representational singularities. Our findings has been validated experimentally on an industrial mobile base.

À l'origine de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'algorithme de tri TimSort qui est apparu en 2002, alors que la littérature sur le problème du tri était déjà bien dense. Bien qu'il soit utilisé dans de nombreux langages de programmation, les performances de cet algorithme n'avaient jamais été formellement analysées avant nos travaux. L'étude fine de TimSort nous a conduits à enrichir nos modèles théoriques, en y incorporant des caractéristiques modernes de l'architecture des ordinateurs. Nous avons, en particulier, étudié le mécanisme de prédiction de branchement. Grâce à cette analyse théorique, nous avons pu proposer des modifications de certains algorithmes élémentaires (comme l'exponentiation rapide ou la dichotomie) qui utilisent ce principe à leur avantage, améliorant significativement leurs performances lorsqu'ils sont exécutés sur des machines récentes. Enfin, même s'il est courant dans le cadre de l'analyse en moyenne de considérer que les entrées sont uniformément distribuées, cela ne semble pas toujours refléter les distributions auxquelles nous sommes confrontés dans la réalité. Ainsi, une des raisons du choix d'implanter TimSort dans des bibliothèques standard de Java et Python est probablement sa capacité à s'adapter à des entrées partiellement triées. Nous proposons, pour conclure cette thèse, un modèle mathématique de distribution non-uniforme sur les permutations qui favorise l'apparition d'entrées partiellement triées, et nous en donnons une analyse probabiliste détaillée / At first, we were interested in TimSort, a sorting algorithm which was designed in 2002, at a time where it was hard to imagine new results on sorting. Although it is used in many programming languages, the efficiency of this algorithm has not been studied formally before our work. The fine-grain study of TimSort leads us to take into account, in our theoretical models, some modern features of computer architecture. In particular, we propose a study of the mechanisms of branch prediction. This theoretical analysis allows us to design variants of some elementary algorithms (like binary search or exponentiation by squaring) that rely on this feature to achieve better performance on recent computers. Even if uniform distributions are usually considered for the average case analysis of algorithms, it may not be the best framework for studying sorting algorithms. The choice of using TimSort in many programming languages as Java and Python is probably driven by its efficiency on almost-sorted input. To conclude this dissertation, we propose a mathematical model of non-uniform distribution on permutations, for which permutations that are almost sorted are more likely, and provide a detailed probabilistic analysis

Dans une première partie théorique, nous nous penchons sur une analyse rigoureuse des performances de l'algorithme Sequential Monte Carlo (SMC) conduisant à des résultats de type bornes L^p et inégalités de concentration. Nous abordons notamment le cas particulier des SMC associés à des schémas de température, et analysons sur ce sujet un processus à schéma adaptatif.Dans une seconde partie appliquée, nous illustrons son utilisation par la résolution de problèmes inverses concrets en électromagnétisme. Le plus important d'entre eux consiste à estimer les propriétés radioélectriques de matériaux recouvrant un objet de géométrie connue, et cela à partir de mesures de champs rétrodiffusés. Nous montrons comment l'algorithme SMC, couplé à des calculs analytiques, permet une inversion bayésienne, et fournit des estimées robustes enrichies d'estimations des incertitudes. / Sequential and Quantum Monte Carlo methods, as well as genetic type search algorithms, can be interpreted as a mean field and interacting particle approximation of Feynman-Kac models in distribution spaces. The performance of these population Monte Carlo algorithms is strongly related to the stability properties of nonlinear Feynman-Kac semigroups. In a first theoretical part, we analyze these models in terms of Dobrushin ergodic coefficients of the reference Markov transitions and the oscillations of the potential functions. Sufficient conditions for uniform concentration inequalities w.r.t. time are expressed explicitly in terms of these two quantities. We provide an original perturbation analysis that applies to annealed and adaptive FK models, yielding what seems to be the first results of this kind for these type of models. Special attention is devoted to the particular case of Boltzmann-Gibbs measures' sampling. In this context, we design an explicit way of tuning the number of Markov Chain Monte Carlo iterations with temperature schedule. We also propose and analyze an alternative interacting particle method based on an adaptive strategy to define the temperature increments. In a second, applied part, we illustrate the use of these SMC algorithms in the field of inverse problems. Mainly, the following electromagnetism (EM) inverse problem is addressed. It consists in estimating local radioelectric properties of materials recovering an object from global EM scattering measurements, at various incidences and wave frequencies. This large scale ill-posed inverse problem is explored by an intensive exploitation of an efficient 2D Maxwell solver, distributed on high performance computing machines. Applied to a large training data set, a statistical analysis reduces the problem to a simpler probabilistic metamodel, on which Bayesian inference can be performed. Considering the radioelectric properties as a hidden dynamic stochastic process, that evolves in function of the frequency, it is shown how the Sequential Monte Carlo methods can take benefit of the structure and provide local EM property estimates.

L'optimisation topologique est une méthode de conception qui permet de définir de manière autonome la topologie, les formes et les dimensions d'un dispositif en vue de répondre de manière optimale à des critères de design. Initialement réservée au dimensionnement de pièces mécaniques, elle s'oriente aujourd’hui vers la conception de dispositifs plus complexes comme ceux rencontrés dans le domaine de l'électromécanique. C'est dans ce cadre que se situe notre travail. Un outil d'optimisation topologique étant formé de l'association d'un algorithme d'optimisation et d'un formalisme de distribution de matière, nous avons dans une première étape comparé différents couplages d'algorithmes métaheuristiques et de formalismes de distribution de matière en vue de choisir le couple qui semble le mieux adapté au problème traité. Cette comparaison nous a conduits à choisir comme outil d'optimisation l'association d'un algorithme génétique et d'une distribution de matière par cellules de Voronoï. Nous avons ensuite examiné comment améliorer les capacités d'exploration et d'exploitation de cet outil. Nous avons, à cet effet, étudié les aspects liés à la gestion de la taille de la population et à l'adaptation des mécanismes de reproduction au caractère graphique du problème. A l'issue de cette deuxième étape, nous avons finalisé un outil d'optimisation que nous avons testé sur des cas d'étude dont la complexité se rapproche de celle rencontrée au niveau industriel. Nous avons ainsi montré le potentiel de notre outil d'optimisation au niveau de la conception dans le cadre de l'électromécanique. / Topology optimization is a method of conception which is able to define the topology, the form and the dimensions of a device with the aim of responding optimally to given design criteria. Initially reserved to the sizing of mechanics parts, this method is directed today towards the conception of more complexes devices as those encountered in applied electromagnetic. It is in this context that our work was performed. A topology optimization tool is made of the combination of an optimization algorithm and a material distribution formalism. In a first step, we compared different couplings of metaheuristic algorithms and material distribution formalisms. This comparison led us to choose as optimization tool for the problem under study, the combination of a genetic algorithm and a distribution of material by Voronoi cells. In a second step, we discussed how to improve the exploration and exploitation capabilities of this tool. We have, for this purpose, studied aspects related to the management of the size of the population and to the adaptation of the mechanisms of reproduction to the graphical nature of the problem. After this second step, we builded our optimization tool that we tested on study cases whose complexity is similar to that encountered at industrial showing its potential of to design electromechanical devices.

Dans les grands réseaux de transport, certains éléments du réseau peuvent être responsables du traitement d’importants volumes de trafic. Cela rend ces réseaux vulnérables aux pannes telles que les coupures de câbles. Des mécanismes appropriés pour le recouvrement du trafic doivent être mis en oeuvre pour éviter les ruptures de service. Une des meilleures techniques pour protéger les réseaux de transport consiste à prévoir des mécanismes de restauration au niveau de la couche transport elle-même afin que chaque opérateur de transport puisse sécuriser son propre réseau et offrir un service de transport fiable aux autres acteurs tels que les opérateurs IP. D’autres mécanismes de protection pourront alors être déployés aux niveaux supérieurs sans interférences avec la restauration au niveau transport. Outre les pannes pouvant touchers ses composantes, un réseau doit aussi faire face à l’incertitude de la matrice de trafic qu’on chercher à acheminer dans le réseau. Cette incertitude est une conséquence de la multiplication des applications et services faisant appel au réseau. La mobilité des usagers ainsi que les pannes touchant le réseau contribuent également à cette incertitude. La thèse se découpe donc en deux parties. Dans la première partie, nous nous intéressons à la complexité des différents mécanismes de sécurisation des réseaux. Dans la seconde partie, nous nous intéressons à l’incertitude de la matrice de trafic et notamment au modèle polyédrique / In the thesis robust routing design problems in resilient networks are considered. In the first part computational complexity of such problems are discussed. The following cases are considered: - path protection and path restoration - failure-dependent and failure-independent restoration - cases with and without stub-release - single-link failures and multiple-link failures (shared risk link group) - non-bifurcated (unsplittable) flows and bifurcated flows For each of the related optimization cases a mixed-integer (in the non-bifurcated cases) or linear programming formulation (in all bifurcated cases) is presented, and their computational complexity is investigated. For the NP-hard cases original NP-hardness proofs are provided, while for the polynomial cases compact linear programming formulations (which prove the polynomiality in the question) are discussed. Moreover, pricing problems related to each of the considered NP-hard problems are discussed. The second part of the thesis deals with various routing strategies in networks where the uncertainty issues are modeled using the polyhedral model. In such networks two extrema are possible. The simplest in terms of implementation, and simultaneously the least effective strategy, is the robust stable routing. On the other hand, the most effective strategy, i.e., the dynamic routing, is virtually impossible to implement in real world networks. Therefore, the major aim of this part of the thesis is to present novel routing strategies that merge the simplicity of the robust stable routing with the efficiency of the dynamic routing

Dans le domaine de la biologie moléculaire, les technologies d'analyse d'expression génique comme les biopuces suscitent un intérêt très grand. Une des applications de ces technologies est le diagnostic et la classification de différents types de tumeurs. Une des particularités des données issues des biopuces est qu'elles sont décrites par un très grand nombre d'attributs (gènes) alors que peu d'échantillons analysés sont disponibles. Cela empêche la compréhension des données et réduit de manière considérable la performance des algorithmes de classification. Dans cette thèse, nous proposons des méthodes innovantes pour réduire la taille initiale des données et pour sélectionner des ensembles de gènes pertinents pour une classification supervisée. Nous proposons tout d'abord une méthode de pré-traitement des données et de réduction de dimension basée sur la logique floue. Le problème de la sélection d'attributs est ensuite traité par deux types d'approche. Dans la première, nous proposons une méthode enveloppe qui grâce à une double exploration génétique sélectionne un ensemble de gènes pertinents pour un classifieur SVM. Dans la deuxième, nous proposons une méthode intégrée où les informations fournies par un classifieur linéaire (ADL) guident le processus de recherche vers un sous-ensemble de petite taille et performant pour la classification. Les différentes expérimentations que nous avons menées montrent de très bonnes performances, surtout pour la méthode intégrée.

Les biopuces permettent de mesurer simultanément l'activité d'un grand nombre de gènes au sein d'échantillons biologiques et de réaliser un diagnostic (reconnaissance tissu sain/tissu cancéreux ou distinction entre différents types de cancer) à partir de ces données. Pour cette tâche de classification, on dispose d'un faible nombre d'échantillons alors que chaque échantillon est décrit par un très grand nombre de gènes. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la sélection de gènes qui permet de proposer un sous-ensemble de gènes pertinents afin de construire un classifieur prédisant le type de tumeur qui caractérise un échantillon cellulaire. Le problème de la sélection de gènes est un problème très difficile et les algorithmes métaheuristiques à base de voisinage (méthodes de recherche locale) et à base de populations (algorithmes génétiques et algorithmes mémétiques) semblent bien appropriés pour traiter ce problème. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs méthodes de sélection dites intégrées, combinant des algorithmes métaheuristiques avec un séparateur à vaste marge linéaire (SVM). Dans ces algorithmes, la qualité d'un sous-ensemble de gènes sélectionnés est évaluée grâce au classifieur SVM. De plus, nos algorithmes exploitent l'information de pertinence fournie par le classifieur SVM sur les différents gènes pour guider les mécanismes de recherche locale ou pour proposer des opérateurs génétiques spécialisés. Des expérimentations ont été réalisées sur les différents jeux de données disponibles dans la littérature et nos méthodes se révèlent très compétitives par rapport aux travaux existants.

Cette thèse introduit deux outils pour l'accès performant aux données d'un algorithme à front d'onde dans un contexte d'exécution out-of-core. Ces algorithmes sont facilement parallélisables en utilisant des techniques de macro-pipelining, qui permettent un recouvrement des calculs et des communications. Le premier outil part du constat que les performances des opérations de lecture/écriture dans une telle situation sont désastreuses: les données sont éclatées sur disque et leur rapatriement en mémoire est long et coûteux. Le nouvel agencement de données sur disque proposé permet de résoudre ces problèmes en accédant aux données uniquement de manière contiguë. Si ce premier outil décrit comment accéder aux données, le deuxième est un modèle de synchronisation qui décrit quand y accéder. En effet, l'exécution parallèle et concurrente des algorithmes à front d'onde nécessite un contrôle strict des temps d'accès et des temps d'attente. Le modèle présenté dans cette thèse remplit ce rôle, tout en donnant des garanties de propriétés intéressantes pour les applications itératives: verrouillage pro-actif, évolution sans interblocages, progression homogène des tâches. L'utilisation de ces deux outils a été intensivement testée sur un benchmark de référence et expérimentée sur des machines de la plate-forme Grid'5000.