Dans ce travail de thèse, nous présentons une méthode originale s’inspirant des comportements des fourmis réelles pour la résolution de problème de classification non supervisée non hiérarchique. Cette approche créée dynamiquement des groupes de données. Elle est basée sur le concept des fourmis artificielles qui se déplacent en même temps de manière complexe avec les règles de localisation simples. Chaque fourmi représente une donnée dans l’algorithme. Les mouvements des fourmis visent à créer des groupes homogènes de données qui évoluent ensemble dans une structure de graphe. Nous proposons également une méthode de construction incrémentale de graphes de voisinage par des fourmis artificielles. Nous proposons deux méthodes qui se dérivent parmi les algorithmes biomimétiques. Ces méthodes sont hybrides dans le sens où la recherche du nombre de classes, de départ, est effectuée par l’algorithme de classification K-Means, qui est utilisé pour initialiser la première partition et la structure de graphe. / In this work, we present a novel method based on behavior of real ants for solving unsupervised non-hierarchical classification problem. This approach dynamically creates data groups. It is based on the concept of artificial ants moving complexly at the same time with simple location rules. Each ant represents a data in the algorithm. The movements of ants aim to create homogenous data groups that evolve together in a graph structure. We also propose a method of incremental building neighborhood graphs by artificial ants. We propose two approaches that are derived among biomimetic algorithms, they are hybrid in the sense that the search for the number of classes starting, which are performed by the classical algorithm K-Means classification, it is used to initialize the first partition and the graph structure.

Dans cette thèse, je commence par présenter une nouvelle caractérisation des communautés à partir d'un réseau de messages inscrits dans le temps. Je montre que la structure de ce réseau a un lien avec les communautés : on trouve majoritairement des échanges d'information à l'intérieur des communautés tandis que les frontières servent à la diffusion.Je propose ensuite d'évaluer les communautés par la vitesse de propagation des communications qui s'y déroulent avec une nouvelle fonction de qualité : la compacité. J'y présente aussi un algorithme de détection de communautés, le Lex-Clustering, basé sur un algorithme de parcours de graphe qui reproduit des caractéristiques des modèles de diffusion d'information. Enfin, je présente une méthodologie permettant de faire le lien entre les fonctions de qualité et les vérités de terrain. J'introduis le concept de contexte, des ensembles de vérités de terrain qui présentente des ressemblances. Je mets à disposition un logiciel nommé CoDACom (Community Detection Algorithm Comparator, codacom.greyc.fr) permettant d'appliquer cette méthodologie ainsi que d'utiliser un grand nombre d'outils de détection de communautés. / N this thesis, I first present a new way of characterising communities from a network of timestamped messages. I show that its structure is linked with communities : communication structures are over-represented inside communities while diffusion structures appear mainly on the boundaries.Then, I propose to evaluate communities with a new quality function, compacity, that measures the propagation speed of communications in communities. I also present the Lex-Clustering, a new community detection algorithm based on the LexDFS graph traversal that features some characteristics of information diffusion.Finally, I present a methodology that I used to link quality functions and ground-truths. I introduce the concept of contexts, sets of ground-truths that are similar in some way. I implemented this methodology in a software called CoDACom (Community Detection Algorithm Comparator, codacom.greyc.fr) that also provides many community detection tools.

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De plus en plus d'ordinateurs utilisent des architectures hybrides combinant des processeurs multi-cœurs (CPUs) et des accélérateurs matériels comme les GPUs (Graphics Processing Units). Ces plates-formes parallèles hybrides exigent de nouvelles stratégies d'ordonnancement adaptées. Cette thèse est consacrée à une caractérisation de ce nouveau type de problèmes d'ordonnancement. L'objectif le plus étudié dans ce travail est la minimisation du makespan, qui est un problème crucial pour atteindre le potentiel des nouvelles plates-formes en Calcul Haute Performance.Le problème central étudié dans ce travail est le problème d'ordonnancement efficace de n tâches séquentielles indépendantes sur une plateforme de m CPUs et k GPUs, où chaque tâche peut être exécutée soit sur un CPU ou sur un GPU, avec un makespan minimal. Ce problème est NP-difficiles, nous proposons donc des algorithmes d'approximation avec des garanties de performance allant de 2 à (2q + 1)/(2q) +1/(2qk), q> 0, et des complexités polynomiales. Il s'agit des premiers algorithmes génériques pour la planification sur des machines hybrides avec une garantie de performance et une fin pratique. Des variantes du problème central ont été étudiées : un cas particulier où toutes les tâches sont accélérées quand elles sont affectées à un GPU, avec un algorithme avec un ratio de 3/2, un cas où les préemptions sont autorisées sur CPU, mais pas sur GPU, le modèle des tâches malléables, avec un algorithme avec un ratio de 3/2. Enfin, le problème avec des tâches dépendantes a été étudié, avec un algorithme avec un ratio de 6. Certains des algorithmes ont été intégré dans l'ordonnanceur du système xKaapi. / More and more computers use hybrid architectures combining multi-core processors (CPUs) and hardware accelerators like GPUs (Graphics Processing Units). These hybrid parallel platforms require new scheduling strategies. This work is devoted to a characterization of this new type of scheduling problems. The most studied objective in this work is the minimization of the makespan, which is a crucial problem for reaching the potential of new platforms in High Performance Computing. The core problem studied in this work is scheduling efficiently n independent sequential tasks with m CPUs and k GPUs, where each task of the application can be processed either on a CPU or on a GPU, with minimum makespan. This problem is NP-hard, therefore we propose approximation algorithms with performance ratios ranging from 2 to (2q+1)/(2q)+1/(2qk), q>0, and corresponding polynomial time complexities. The proposed solving method is the first general purpose algorithm for scheduling on hybrid machines with a theoretical performance guarantee that can be used for practical purposes. Some variants of the core problem are studied: a special case where all the tasks are accelerated when assigned to a GPU, with a 3/2-approximation algorithm, a case where preemptions are allowed on CPUs, the same problem with malleable tasks, with an algorithm with a ratio of 3/2. Finally, we studied the problem with dependent tasks, providing a 6-approximation algorithm. Experiments based on realistic benchmarks have been conducted. Some algorithms have been integrated into the scheduler of the xKaapi runtime system for linear algebra kernels, and compared to the state-of-the-art algorithm HEFT.

L'approche automate pour le model checking de propriétés temporelles à temps linéaire est une technique classique de vérification formelle de systèmes concurrents. Un système, ainsi qu'une propriété qu'on souhaite y vérifier, sont modélisés sous forme d’omega-automates reconnaissant des mots infinis. Des manipulations de ces automates (produit synchronisé et test de vacuité) permettent d'établir si le système vérifie la propriété ou non. Dans cette thèse nous nous focalisons sur un type particulier d'omega-automates qui permettent une représentation concise des propriétés d'équité faible: les automates de Büchi généralisés basés sur les transitions (TGBA ou Transition-based Generalized Büchi Automata). Dans un premier temps, nous brossons un aperçu des algorithmes de vérification existant et nous en proposons de nouveaux traitant efficacement les automates généralisés forts. Dans un second temps, l'analyse des composantes fortement connexes de l'automate de la propriété nous a conduit à élaborer une décomposition de cet automate. Cette décomposition se focalise sur les automates multi-forces et permet une parallélisation naturelle des model-checkers. Enfin, nous avons proposé les premiers tests de vacuité parallèles pour les automates généralisés. De plus, tous ces tests sont lock-free à la différence de ceux de l’état de l’art. Toutes ces techniques ont ensuite été implémentées et évaluées sur un jeu de test conséquent. / The automata-theoretic approach to linear time model-checking is a standard technique for formal verification of concurrent systems. The system and the property to check are modeled with omega-automata that recognizes infinite words. Operations overs these automata (synchronized product and emptiness checks) allows to determine whether the system satisfies the property or not. In this thesis we focus on a particular type of omega-automata that enable a concise representation of weak fairness properties: transitions-based generalized Büchi automata (TGBA). First we outline existing verification algorithms, and we propose new efficient algorithms for strong automata. In a second step, the analysis of the strongly connected components of the property automaton led us to develop a decomposition of this automata. This decomposition focuses on multi-strength property automata and allows a natural parallelization for already existing model-checkers. Finally, we proposed, for the first time, new parallel emptiness checks for generalized Büchi automata. Moreover, all these emptiness checks are lock-free, unlike those of the state-of-the-art. All these techniques have been implemented and then evaluated on a large benchmark.

Les systèmes polynomiaux à plusieurs variables apparaissent naturellement dans de nombreux domaines scientifiques. Ces systèmes issus d'applications possèdent une structure algébrique spécifique. Une méthode classique pour résoudre des systèmes polynomiaux repose sur le calcul d'une base de Gröbner de l'idéal associé au système. Cette thèse présente de nouveaux outils pour la résolution de tels systèmes structurés, lorsque la structure est induite par l'action d'un groupe ou une structure monomiale particulière, qui englobent les systèmes multi-homogènes ou quasi-homogènes. D'une part, cette thèse propose de nouveaux algorithmes qui exploitent ces structures algébriques pour améliorer l'efficacité de la résolution de systèmes (systèmes invariant sous l'action d'un groupe ou à support dans un ensemble de monômes particuliers). Ces techniques permettent notamment de résoudre un problème issu de la physique pour des instances hors de portée jusqu'à présent. D'autre part, ces outils permettent d'améliorer les bornes de complexité de résolution de plusieurs familles de systèmes polynomiaux structurés (systèmes globalement invariant sous l'action d'un groupe abélien, individuellement invariant sous l'action d'un groupe quelconque, ou ayant leur support dans un même polytope). Ceci permet en particulier d'étendre des résultats connus sur les systèmes bilinéaires aux systèmes mutli-homogènes généraux. / Multivariate polynomial systems arise naturally in many scientific fields. These systems coming from applications often carry a specific algebraic structure.A classical method for solving polynomial systems isbased on the computation of a Gr\"obner basis of the ideal associatedto the system.This thesis presents new tools for solving suchstructured systems, where the structure is induced by the action of a particular group or a monomial structure, which include multihomogeneous or quasihomogeneous systems.On the one hand, this thesis proposes new algorithmsusing these algebraic structures to improve the efficiency of solving suchsystems (invariant under the action of a group or having a support in a particular set of monomials). These techniques allow to solve a problem arising in physics for instances out of reach until now.On the other hand, these tools improve the complexity bounds for solving several families of structured polynomial systems (systems globally invariant under the action of an abelian group or with their support in the same polytope). This allows in particular to extend known results on bilinear systems to general mutlihomogeneous systems.

La réalité mixe, les jeux en ligne massivement multijoueur (MMOGs), les mondes virtuels et le cyberespace sont des concepts extrêmement attractifs. Mais leur déploiement à large échelle reste difficile et il est en conséquence souvent évité.La contribution principale de la thèse réside dans le système distribué Kiwano, qui permet à un nombre illimité d'avatars de peupler et d'interagir simultanément dans un même monde contigu. Dans Kiwano nous utilisons la triangulation de Delaunay pour fournir à chaque avatar un nombre constant de voisins en moyenne, indépendamment de leur densité ou distribution géographique. Le nombre d'interactions entre les avatars et les calculs inhérents sont bornés, ce qui permet le passage à l'échelle du système.La charge est repartie sur plusieurs machines qui regroupent sur un même nœud les avatars voisins de façon contiguë dans le graphe de Delaunay. L'équilibrage de la charge se fait de manière contiguë et dynamique, en suivant la philosophie des réseaux pair-à-pair (peer-to-peer overlays). Cependant ce principe est adapté au contexte de l'informatique dématérialisée (cloud computing).Le nombre optimal d'avatars par CPU et les performances de notre système ont été évalués en simulant des dizaines de milliers d'avatars connectés à la même instance de Kiwano tournant à travers plusieurs centres de traitement de données.Nous proposons également trois applications concrètes qui utilisent Kiwano : Manycraft est une architecture distribuée capable de supporter un nombre arbitrairement grand d'utilisateurs cohabitant dans le même espace Minecraft, OneSim, qui permet à un nombre illimité d'usagers d'être ensemble dans la même région de Second Life et HybridEarth, un monde en réalité mixte où avatars et personnes physiques sont présents et interagissent dans un même espace: la Terre. / Virtual worlds attract millions of users and these popular applications --supported by gigantic data centers with myriads of processors-- are routinely accessed. However, surprisingly, virtual worlds are still unable to host simultaneously more than a few hundred users in the same contiguous space.The main contribution of the thesis is Kiwano, a distributed system enabling an unlimited number of avatars to simultaneously evolve and interact in a contiguous virtual space. In Kiwano we employ the Delaunay triangulation to provide each avatar with a constant number of neighbors independently of their density or distribution. The avatar-to-avatar interactions and related computations are then bounded, allowing the system to scale. The load is constantly balanced among Kiwano's nodes which adapt and take in charge sets of avatars according to their geographic proximity. The optimal number of avatars per CPU and the performances of our system have been evaluated simulating tens of thousands of avatars connecting to a Kiwano instance running across several data centers, with results well beyond the current state-of-the-art.We also propose Kwery, a distributed spatial index capable to scale dynamic objects of virtual worlds. Kwery performs efficient reverse geolocation queries on large numbers of moving objects updating their position at arbitrary high frequencies. We use a distributed spatial index on top of a self-adaptive tree structure. Each node of the system hosts and answers queries on a group of objects in a zone, which is the minimal axis-aligned rectangle. They are chosen based on their proximity and the load of the node. Spatial queries are then answered only by the nodes with meaningful zones, that is, where the node's zone intersects the query zone.Kiwano has been successfully implemented for HybridEarth, a mixed reality world, Manycraft, our scalable multiplayer Minecraft map, and discussed for OneSim, a distributed Second Life architecture. By handling avatars separately, we show interoperability between these virtual worlds.With Kiwano and Kwery we provide the first massively distributed and self-adaptive solutions for virtual worlds suitable to run in the cloud. The results, in terms of number of avatars per CPU, exceed by orders of magnitude the performances of current state-of-the-art implementations. This indicates Kiwano to be a cost effective solution for the industry. The open API for our first implementation is available at \url{http://kiwano.li}.

Les robots ont profondément transformé l’industrie manufacturière et sont susceptibles de délivrer de grands bénéfices pour la société, par exemple en intervenant sur des lieux de catastrophes naturelles, lors de secours à la personne ou dans le cadre de la santé et des transports. Ce sont aussi des outils précieux pour la recherche scientifique, comme pour l’exploration des planètes ou des fonds marins. L’un des obstacles majeurs à leur utilisation en dehors des environnements parfaitement contrôlés des usines ou des laboratoires, est leur fragilité. Alors que les animaux peuvent rapidement s’adapter à des blessures, les robots actuels ont des difficultés à faire preuve de créativité lorsqu’ils doivent surmonter un problème inattendu: ils sont limités aux capteurs qu’ils embarquent et ne peuvent diagnostiquer que les situations qui ont été anticipées par leur concepteurs. Dans cette thèse, nous proposons une approche différente qui consiste à laisser le robot apprendre de lui-même un comportement palliant la panne. Cependant, les méthodes actuelles d’apprentissage sont lentes même lorsque l’espace de recherche est petit et contraint. Pour surmonter cette limitation et permettre une adaptation rapide et créative, nous combinons la créativité des algorithmes évolutionnistes avec la rapidité des algorithmes de recherche de politique à travers trois contributions : les répertoires comportementaux, l’adaptation aux dommages et le transfert de connaissance entre plusieurs tâches. D’une manière générale, ces travaux visent à apporter les fondations algorithmiques permettant aux robots physiques d’être plus robustes, performants et autonomes. / Robots have transformed many industries, most notably manufacturing, and have the power to deliver tremendous benefits to society, for example in search and rescue, disaster response, health care, and transportation. They are also invaluable tools for scientific exploration of distant planets or deep oceans. A major obstacle to their widespread adoption in more complex environments and outside of factories is their fragility. While animals can quickly adapt to injuries, current robots cannot “think outside the box” to find a compensatory behavior when they are damaged: they are limited to their pre-specified self-sensing abilities, which can diagnose only anticipated failure modes and strongly increase the overall complexity of the robot. In this thesis, we propose a different approach that considers having robots learn appropriate behaviors in response to damage. However, current learning techniques are slow even with small, constrained search spaces. To allow fast and creative adaptation, we combine the creativity of evolutionary algorithms with the learning speed of policy search algorithms through three contributions: the behavioral repertoires, the damage recovery using these repertoires and the transfer of knowledge across tasks. Globally, this work aims to provide the algorithmic foundations that will allow physical robots to be more robust, effective and autonomous.

Dans cette thèse, nous étudions le problème de l'allocation de ressources dans le cadre des réseaux 4G LTE. La méthode d'accès OFDMA qui est utilisée partage les ressources radios à la fois dans le domaine fréquentiel et temporel. En raison des déficiences du canal, les utilisateurs ne bénéficient pas toujours des mêmes débits d'émission/réception sur chacune des ressources. Dans ce cadre, notre problème consiste à distribuer ces ressources radios aux mobiles afin de leur permettre de transmettre/recevoir des données. L'algorithme utilisé pour allouer les ressources a une importance fondamentale sur les performances du système. La norme LTE ajoute des contraintes supplémentaires à ce problème et rend l'exploitation de la diversité fréquentielle et de la diversité multi-utilisateurs plus difficile. En effet, sous ces contraintes, nous montrons que le problème de l'allocation de ressources fait alors partie de la classe des problèmes « difficiles ». Par conséquent, les algorithmes classiques de la littérature sont souvent inadaptés à un réseau LTE réel. Nous proposons des algorithmes d'allocation de ressources à la fois pour le sens montant et descendant de LTE. Les contraintes de la norme sont rigoureusement prises en compte afin de construire des solutions efficaces. De plus, les algorithmes proposés sont génériques et peuvent donc s'adapter à une grande variété d'objectifs. En particulier, nous nous attachons à prendre en charge les trafics multimédias dont les débits et les besoins en qualité de service sont très hétérogènes (taux d’erreurs binaires, retard, gigue, etc.). En effet, l'augmentation progressive des débits et la forte popularité des équipements mobiles intelligents amènent à une utilisation toujours plus massive des applications multimédias. Tous nos algorithmes sont validés par simulation. Par ce biais, nous montrons que la prise en compte des contraintes de LTE est essentielle à l'obtention de performances élevées. / In this thesis, we study the resource allocation problem within the framework of 4G LTE networks. The OFDMA access method divides the radio resources both in the frequency and time domains. Due to channel impairments, users do not always have the same transmit/receive rates on each resource. In this context, our problem is to share the radio resources between users and enable them to transmit/receive data. The algorithm used to allocate resources is of fundamental importance on system performance. The LTE standard adds constraints to this problem and makes harder the exploitation of the frequency and the multi-user diversity. Indeed, under these constraints, we show that the resource allocation problem becomes part of the « most difficult » problems. Therefore, the conventional algorithms are often not adapted to a real LTE network. We provide resource allocation algorithms for both the uplink and downlink of LTE. The constraints of the standard are rigorously taken into account in order to build effective solutions. In addition, the proposed algorithms are generic and can adapt to a wide variety of objectives. In particular, we focus on the support of multimedia traffic with heterogeneous quality of service requirements (bit error rate, delay, jitter, etc.). Indeed, the gradual increase of the offered throughput and the strong popularity of smart mobile devices lead to a massive use of multimedia applications. Our algorithms are validated through extensive simulation. By this means, we show that the inclusion of LTE constraints is essential to achieving high performance.