Dans cette thèse nous étudions différents systèmes dynamiques discrets permettant de simuler la formation des piles de sable. Le comportement des modèles de base SPM ou IPM(k) est bien connu dans des conditions initiales spécifiques. Nous étendons ces résultats à des conditions initiales plus générales, et nous introduisons le modèle SSPM qui ajoute de la symétrie à ces modèles et améliore leur réalisme. Dans un second temps, nous étudions un autre système dynamique, les automates de sable. Ils sont définis de manière analogue aux automates cellulaires, avec la contrainte supplémentaire qu'uneconfiguration n'admet pas de « trous ». Ces automates peuvent simuler tous les modèles de piles de sable définis localement, et à l'aide d'un cadre mathématique solide, ils permettent d'obtenir des résultats plus généraux. Nous nous intéressons à la dynamique des automates de sable, plus précisément aux propriétés de réversibilité d'un automate, et nous étudions la décidabilité de propriétés caractérisant les piles de sable classiques : conservation des grains et périodicité ultime.

Nous étudions le modèle des automates cellulaires en adoptant successivement deux points de vue --celui des représentations syntaxiques locales puis celui des dynamiques globales-- et en cherchant à établir des liens entre eux par différentes approches ou outils --algébrique, combinatoire, et de la théorie de la calculabilité. Au cours de notre étude de la structure des règles de transition locales, nous introduisons une nouvelle classe d'automates (appelés automates cellulaires captifs) définie par une contrainte locale très simple. Nous établissons une loi 0-1 sur cette classe qui a pour corollaire que presque tous les automates cellulaires captifs sont intrinsèquement universels. En revanche, nous montrons qu'il est indécidable de savoir si un automate cellulaire captif est intrinsèquement universel ou pas. Dans une seconde partie, nous poursuivons l'étude des automates cellulaires en cherchant au contraire à nous affranchir le plus possible de leur représentation syntaxique pour insister sur leurs propriétés dynamiques globales. Notre problématique devient celle de la classification et de l'étude de notions de complexité selon ce point de vue global. L'outil fondamental est celui de simulation. Nous étendons les résultats de N. Ollinger sur les structures de pré-ordre (nouvelles relations de simulations et nouvelles propriétés induisant des structures d'idéal ou de filtre) et étudions également l'effet du produit cartésien sur ces structures. Nous établissons une construction qui peut s'interpréter comme un produit cartésien limite et nous permet d'exhiber des chaînes infinies croissantes de longueur omega+omega dans l'un des pré-ordres étudiés. Enfin, nous nous intéressons aux dynamiques séquentielles et aux automates cellulaires universels pour le calcul Turing. Nous construisons un treillis infini d'automates cellulaires Turing-universels qui sont tous à distance infinie de tout automate cellulaire intrinsèquement universel.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer une approche efficace de modélisation et de résolution pour le problème d’ordonnancement, en mettant l’accent sur le partage multi-ressources et sur l’incertitude potentielle d’occurrence de certains événements. L'ordonnancement a pour objectif de réaliser un ensemble de tâches à la fois en respectant des contraintes prédéfinies et en optimisant le temps. Ce travail s’intéresse en particulier à la minimisation du temps total d’exécution. La plupart des approches existantes préconisent une modélisation mathématique exprimant des équations et des contraintes pour décrire et résoudre des problèmes d’ordonnancement. De telles démarches ont une complexité inhérente. Cependant dans l’industrie, la tâche de planification est récurrente et peut requérir des changements fréquents des contraintes. Outre cela, la prise en compte d’événements incertains est peu supportée par les approches existantes; cela peut toutefois augmenter la robustesse d’un ordonnancement. Pour répondre à ces problématiques, après une introduction, le chapitre 2 aborde le problème de l’ordonnancement à travers une démarche de modélisation visuelle, expressive et formelle, s’appuyant sur les automates pondérés et sur la théorie des automates temporisés. L’originalité des modèles proposés réside aussi dans leur capacité de décrire le partage de ressources multiples et proposer une approche de résolution efficace. Ces modèles ont l’avantage d’être directement exploitables par des outils de vérification formelle, à travers une démarche de preuve par contradiction vis-à-vis de l’existence d’une solution. Les résultats effectifs sont obtenus grâce à l’outil UPPAAL. La complexité inhérente à la production d’une solution optimale est abordée à travers un algorithme de recherche et d’amélioration itérative de solutions, offrant une complexité très prometteuse sur la classe de problèmes étudiés. Dans le chapitre 3, une composition synchrone est d’automates pondérés est proposée dans le but de résoudre le problème d’ordonnancement en effectuant une analyse d’atteignabilité optimale directement sur les modèles automates pondérés. Dans le quatrième chapitre, divers comportements incontrôlables tels que le temps de début, la durée de la tâche et l'occurrence d’échec dans un problème d‘ordonnancement sont modélisés par des automates de jeu temporisés. Ensuite, le problème est résolu en effectuant une synthèse de stratégie optimale dans le temps dans l'outil de synthèse TIGA. / The objective of scheduling problems is to find the optimal performing sequence for a set of tasks by respecting predefined constraints and optimizing a cost: time, energy, etc. Despite classical approaches, automata models are expressive and also robust against changes in the parameter setting and against changes in the problem specification. Besides, few studies have used formal verification approaches for addressing scheduling problems; yet none of them considered challenging and practical issues such as multi-resource sharing aspect, uncontrollable environment and reaching the optimal schedule in a reasonable time for industrializing the model. The main objective of this thesis is to propose an efficient modeling and solving approach for the scheduling problem, considering multi-resource sharing and potential uncertainty in occurrence of certain events. For this purpose, after an introduction in Chapter 1, Chapter 2 addresses the problem of scheduling through a visual, expressive and formal modeling approach, based on weighted automata and the theory of timed automata. The originality of the proposed approach lies in ability of handling the sharing of multiple resources and proposing an efficient solving approach. The proposed models have the advantage of being directly exploitable by means of formal verification tools. The results are obtained using the UPPAAL tool. To solve the problem, an algorithm is developed based on iterating reachability analysis to obtain sub-optimal makespan. Results show the proposed model and solving approach provides a very promising complexity on the class of studied problems and can be applied to industrial cases. In Chapter 3, a synchronous composition of weighted automata is proposed to solve the scheduling problem by performing an optimal reachability analysis directly on the weighted automata models. In the fourth chapter, various uncontrollable behaviors such as the start time, the duration of the task and the failure occurrence in a scheduling problem are modeled by timed game automata. Then, the problem is solved by performing an optimal strategy synthesis over time in TIGA as a synthesis tool.

Cette thèse porte sur la synthèse de superviseurs pour des systèmes a événements discrets temps-réel (SEDTRs) modélisés par des automates temporises (ATs). Comme l'espace d'états d'un AT est en général infini, et que la théorie du contrôle supervise de RAMADGE et WONHAM, que nous avons adaptée, est opérationnelle pour des automates a états finis (AEFs), nous avons utilisé l'approche consistant à transformer les ATs modélisant le procédé et la spécification sous la forme d'AEFs. Nous avons donc tout d'abord étendu et amélioré une méthode de transformation des ATs en AEFs particuliers appelés automates Set-Exp (ASEs). Cette méthode de transformation, appelée SetExp, permet de réduire le problème d'explosion des états et est appropriée pour le contrôle supervise de SEDTRs. Nous avons ensuite amélioré et étendu une méthode de contrôle centralise fondée sur SetExp, c'est-à-dire que les ATs modélisant le procédé et la spécification sont d'abord transformes en ASEs et le problème est résolu en adaptant la théorie de RAMADGE et WONHAM aux ASEs. Pour la résolution du problème de contrôle centralise, nous avons identifié les conditions d'existence de solution et avons proposé une procédure algorithmique pour la synthèse du superviseur le moins restrictif. Suite à cela, nous avons développé une méthode de contrôle modulaire, fondée sur SetExp et la méthode de contrôle centralise. Pour le contrôle modulaire également, nous avons identifié les conditions d'existence de solution et propose une procédure de synthèse de superviseurs modulaires les moins restrictifs. D'autre part, nous avons étendu la méthode de contrôle centralise fondée sur SetExp au cas où le superviseur a une observation partielle des événements du procédé. Pour cette méthode de contrôle sous observation partielle des événements, nous avons identifié les conditions d'existence de solution et propose une procédure pour synthétiser un superviseur sous observation partielle. Enfin, nous avons réalisé un outil logiciel appelé SEAtool, qui implémente la transformation SetExp et les méthodes de contrôle centralise et modulaire. Nous avons étudié, à l'aide de SEAtool, l'application de nos méthodes de contrôles centralise et modulaire a des systèmes concrets simples.

En raison de l'expansion des données, les algorithmes de compression sont désormais cruciaux. Nous abordons ici le problème de trouver des algorithmes de compression optimaux par rapport à une source de Markov donnée. A cet effet, nous étendons l'algorithme de Huffman classique. Pour se faire premièrement on applique Huffman localement à chaque état de la source Markovienne, en donnant le résultat de l'efficacité obtenue pour cet algorithme. Mais pour bien approfondir et optimiser quasiment l'efficacité de l'algorithme, on donne un autre algorithme qui est toujours appliqué localement à chaque états de la source Markovienne, mais cette fois ci en codant les facteurs partant de ces états de la source Markovienne de sorte à ce que la probabilité du facteur soit une puissance de 1/2 (sachant que l'algorithme de Huffman est optimal si et seulement si tous les symboles à coder ont une probabilité puissance de 1/2). En perspective de ce chapitre on donne un autre algorithme (restreint à la compression de l'étoile) pour coder une expression à multiplicité, en attendant dans l'avenir à coder une expression complète / Due to the expansion of datas, compression algorithms are now crucial algorithms. We address here the problem of finding an optimal compression algorithm with respect to a given Markovian source. To this purpose, we extend the classical Huffman algorithm. The kernels are popular methods to measure the similarity between words for classication and learning. We generalize the definition of rational kernels in order to apply kernels to the comparison of languages. We study this generalization for factor and subsequence kerneland prove that these kernels are defined for parameters chosen in an appropriate interval. We give different methods to build weighted transducers which compute these kernels

Cette thèse aborde des sujets liés à la théorie des automates, à la logique et à la théorie des jeux. Ces thèmes sont au cœur de l'informatique théorique depuis de nombreuses décennies. Les travaux de recherche dans ces domaines sont motivés entre autres par des questions de modélisation et de vérification de systèmes. La première partie de la thèse considère les automates finis et la logique temporelle sur des ordres linéaires arbitraires. On y donne une procédure (doublement exponentielle en espace) pour décider la satisfaisabilité d'une formule LTL, utilisant une étape de transformation d'une formule logique en un transducteur synchrone. La seconde partie s'intéresse à des jeux de longueur ordinale. On propose un modèle de jeux à deux joueurs sur des graphes finis, et on montre que la question du vainqueur pour ces jeux peut être résolue en espace polynomial. De plus, on montre qu'il existe des stratégies gagnantes à mémoire finie.

Cette thèse traite des ensembles rationnels de mots indexés par des ordres linéaires et en particulier du problème de la fermeture par complémentation. Dans un papier fondateur de 1956, Kleene initie la théorie des langages en montrant que les automates sur les mots finis et les expressions rationnelles ont le même pouvoir d'expression. Depuis, ce résultat a été étendu à de nombreuses structures telles que les mots infinis (Büchi, Muller), bi-infinis (Beauquier, Nivat, Perrin), les mots indexés par des ordinaux (Büchi, Bedon), les traces, les arbres... Plus récemment, Bruyère et Carton ont introduit des automates acceptant des mots indexés par des ordres linéaires et des expressions rationnelles correspondantes. Ces structures linéaires comprennent les mots infinis, les mots indexés par des ordinaux et leurs miroirs. Le théorème de Kleene a été généralisé aux mots indexés par les ordres linéaires dénombrables et dispersés, c'est-à-dire les ordres ne contenant pas de sous-ordre isomorphe à Q. Pour la plupart des structures, la classe des ensembles rationnels forme une algèbre de Boole. Cette propriété est nécessaire pour traduire une logique en automates. La fermeture par complémentation restait un problème ouvert. Dans cette thèse, on résout ce problème de façon positive: on montre que le complément d'un ensemble rationnel de mots indexés par des ordres linéaires dispersés est rationnel. La méthode classique pour obtenir un automate acceptant le complémentaire d'un ensemble rationnel se fait par déterminisation. Nous montrons que cette méthode ne peut-être appliquée dans notre cas: tout automate n'est pas nécessairement équivalent à un automate déterministe. Nous avons utilisé d'autres approches. Dans un premier temps, nous généralisons la preuve de Büchi, basée sur une congruence de mots, et obtenons ainsi la fermeture par complémentation dans le cas des ordres linéaires de rang fini. Pour obtenir le résultat dans le cas général, nous utilisons l'approche algébrique. Nous développons une structure algébrique qui étend la reconnaissance classique par semigroupes finis : les semigroupes sont remplacés par les diamant-semigroupes qui possèdent un produit généralisé. Nous prouvons qu'un ensemble est rationnel si et seulement s'il est reconnu par un diamant-semigroupe fini. Nous montrons aussi qu'un diamant-semigroupe canonique, appelé diamant-semigroupe syntaxique, peut être associé à chaque ensemble rationnel. Notre preuve de la complémentation est effective. Le théorème de Schützenberger établit qu'un ensemble de mots finis est sans étoile si et seulement si son semigroupe syntaxique est fini et apériodique. Pour finir, nous étendons partiellement ce résultat au cas des ordres de rang fini.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre général de la théorie des automates, de la combinatoire des mots, de la combinatoire énumérative et de l'algorithmique. Ils ont en commun de traiter des automates et des langages réguliers, de problèmes d'énumération et de présenter des résultats constructifs, souvent explicitement sous forme d'algorithmes. Les domaines dont sont issus les problèmes abordés sont assez variés. Ce texte est compose de trois parties consacrées aux codes préfixes, à certaines séquences lexicographiques et à l'énumération d'automates.

Nous nous intéressons par le problème de la sémantique des mises à jour et de la cohérence des bases de données dans différents contextes comme les documents XML et les services web. En effet, des difficultés particulières sont à prévoir lors de la mise à jour d'une base ayant des contraintes à respecter, car, des données originalement cohérentes par rapport aux contraintes peuvent devenir incohérentes suite aux mises à jour. Dans une première partie de notre travail, nous considérons la mise à jour et le maintien de la cohérence d'une base de données XML par rapport au type (ou schéma) ainsi que par rapport aux contraintes d'intégrité. Nous abordons ce problème de différentes manières. Tout d'abord, nous proposons une procédure de validation incrémentale par rapport aux contraintes, évitant de revalider les parties du document qui n'ont pas été touchées par les mises à jour. Cette approche traite aussi bien le cas des contraintes de schéma que le cas des contraintes d'intégrité. Dans ce cadre, les listes de mises à jour qui violent la validité sont rejetées. Quand la validation incrémentale échoue, c'est-à-dire, quand une mise à jour viole le type, deux propositions de traitement sont faites\,: (A) Une routine de correction est activée pour adapter le document XML au type tout en prenant en compte la mise à jour. La mise à jour a donc une priorité par rapport aux données déjà stockées. (B) Une routine propose une adaptation du type du document, de façon à accepter le document mis à jour en préservant la validité des autres documents originalement valides et non soumis à la mise à jour. Dans ce cas, la mise à jour est prioritaire et les contraintes peuvent être modifiées. Une deuxième partie du travail considère la construction d'une plate-forme d'aide à la spécification, à l'implémentation et à la manipulation de services. L'idée de pouvoir spécifier et modifier des compositions de services nous a amené à la définition du langage PEWS (\textit{Path Expressions for Web Services}), ayant une sémantique formelle bien définie et permettant la spécification du comportement des interfaces des services web simples ou composés. Pour pouvoir tester statiquement des propriétés liées à la composition des services, nous proposons l'utilisation de la théorie des traces et les graphes de dépendances.

Nous nous intéressons aux approches formelles pour le développement de systèmes réactifs critiques. Le langage synchrone Lustre pour la spécification de tels systèmes a subit des évolutions majeurs au cours des dernières années en intégrant dans sa sémantique à base flots de données synchrones des constructions de plus haut-niveau appelées automates de modes (dans le langage Scade 6). Ceux-ci mettent en œuvre l'activation de modes de calculs en fonction des états et des transitions de l'automate, et reposent pour cela sur la sémantique des horloges du langage Lustre. En particulier, nous étudiions la prise en compte des horloges et des automates de modes dans l'outil de génération de tests GATeL dédié à l'origine au langage Lustre mono-horloge (flots de données purs). GATeL génère automatiquement des séquences de tests pour un modèle à partir d'un objectif de test décrit en Lustre à travers une exploration en arrière des dépendances entre flots et selon des teniques de résolution de contraintes. Nous présentons ces différents domaines et la mise en oeuvre des modifications apportées à l'outil pour prendre en compte les automates de modes. Enfin, nous définissons des critères de couverture structurelle pour les automates de modes et montrons alors comment, en les traduisant de manière automatique sous forme d'objectifs de tests, GATeL permet de générer des séquences couvrant ces critères.