La dispersion atmosphérique de substances dangereuses est un évènement susceptible d’entrainer de graves conséquences. Sa modélisation est primordiale pour anticiper des situations accidentelles. L’objectif de ce travail fut de développer un modèle opérationnel, à la fois rapide et précis, prenant en compte la dispersion en champ proche sur un site industriel. L’approche développée s’appuie sur des modèles issus de l’intelligence artificielle : les réseaux de neurones et les automates cellulaires. L’utilisation des réseaux de neurones requiert l’apprentissage d’une base de données de dispersion : des simulations CFD k-ϵ dans ce travail. Différents paramètres sont évalués lors de l’apprentissage : échantillonnage et architecture du réseau. Trois méthodologies sont développées :La première méthode permet d’estimer la dispersion continue en champ libre, par réseaux de neurones seuls.La deuxième méthode utilise le réseau de neurones en tant que règle de transition de l’automate cellulaire pour le suivi de l’évolution d’une bouffée en champ libre.La troisième méthode sépare la problématique : le calcul de l’écoulement est effectué par les réseaux de neurones alors que le calcul de la dispersion est réalisé par la résolution de l’équation d’advection diffusion pour le suivi de l’évolution d’un nuage autour d’un obstacle cylindrique. La simulation de cas tests non-appris avec des simulations CFD permet de valider les méthodes développées. Les temps de calcul mis en œuvre pour réaliser la dispersion sont en accord avec la cinétique d’une situation de crise. L’application à des données réelles doit être développée dans la perspective de rendre les modèles opérationnels. / Atmospheric dispersion of hazardous materials is an event that could lead to serious consequences. Atmospheric dispersion is studied in particular in this work. Modeling of atmospheric dispersion is an important tool to anticipate industrial accidents. The objective of this work was to develop a model that is both fast and accurate, considering the dispersion in the near field on an industrial site. The approach developed is based on models from artificial intelligence: neural networks and cellular automata. Using neural networks requires training a database typical of the phenomenon, CFD k-ϵ simulations in this work. Training the neural network is carried out by identifying the important parameters: database sampling and network architecture. Three methodologies are developed:The first method estimates the continuous dispersion in free field by neural networks.The second method uses the neural network as a transition rule of the cellular automaton to estimate puff evolution in the free field.The third method divides the problem: the flow calculation is performed by the neural network and the calculation of the dispersion is realized by solving the advection diffusion equation to estimate the evolution of a cloud around a cylindrical obstacle. For the three methods, assessment of the generalization capabilities of the neural network has been validated on a test database and on unlearned cases. A comparison between developed method and CFD simulations is done on unlearned cases in order to validate them. Simulations computing time are low according to crisis duration. Application to real data should be developed to make these models operational.

La prédiction de la propagation des feux de forêts consiste à trouver l'évolution du front du feu. Cette thèse reprend le modèle monodimensionnel de propagation du feu sous forme d'ellipses de Richards afin de trouver l'expression intrinsèque de la vitesse de ce front. Une formulation équivalente variationnelle de ce modèle en utilisant les principes de l'optique géométrique est aussi dérivée. Un modèle tridimensionnel de la propagation du feu grâce à une homogénéisation par prise de moyennes et à l'utilisation de la thermodynamique des processus irréversibles est alors obtenu. Une simplification de ce modèle, suivie d'une réduction bidimensionnelle sur la surface gauche du sol, nous conduisent alors à un modèle bidimensionnelle, qui tient compte des principaux paramµetres de la propagation des feux de forêts. Celui-ci permet d'obtenir des formes de corrélations utilisées par le modèle des ellipses. Le caractère non local de l'intervention du flux radiatif en provenance de la zone en feu qui se trouve au-dessus de la végétation est alors introduit. Des simulations numériques, de ce modèle bidimensionnel de propagation du feu avec terme de rayonnement non local, ont enfin été réalisées.

Dans ce travail de thèse, nous avons entrepris une analyse rigoureuse du concept de transition de phase et de sa pertinence pour aborder la dynamique non linéaire et invariante d'échelle des objets géologiques. En particulier, nous tentons de définir clairement les ingrédients nécessaires et les implications d'un état critique pour un système, et étudions dans quelle mesure ces ingrédients sont compatibles avec les caractéristiques géomécaniques des objets géologiques. Nous passons également en revue les approches récemment proposées pour aborder la rupture des matériaux, la déformation de la croûte ou le glissement sur une faille, en terme de transition de phase. Nous portons notre intérêt non seulement sur le concept d'état critique, mais aussi sur d'autres mécanismes susceptibles de générer des lois d'échelle. Nous utilisons ensuite ce formalisme pour étudier trois exemples concrets: la mécanique des éruptions dans un volcan, la fracturation d'un réservoir d'hydrocarbure et la déformation viscoplastique d'un échantillon de glace. La variété de ces exemples illustre la généralité et la puissance d'analyse du concept de transition de phase pour aborder la mécanique des objets géologiques. D'abord, nous proposons pour les volcans basaltiques un modèle de réservoir composé d'un grand nombre de lentilles de magma en interaction, dans lequel une éruption résulterait d'un phénomène de cascade initié par de faibles perturbations. Ce modèle est en accord avec les données du Piton de la Fournaise. Ensuite, nous isolons sur un site d'extraction d'hydrocarbure l'effet d'une variation basse fréquence de la vitesse de chargement du milieu sur son mode de fracturation (diffus/localisé). Nous discutons les implications de cet effet tant en termes industriels que pour la mécanique des séismes. Enfin, nous montrons que la déformation viscoplastique d'un matériau par mouvements de dislocations peut s'interpréter, comme la déformation cassante, dans le cadre des transitions de phase.

Dans cette thèse, nous étudions la robustesse dans le contexte de la modélisation de systèmes complexes par les automates cellulaires. En effet, si l'on cherche à reproduire un comportement émergent à partir d'un modèle d'automate cellulaire, il nous semble nécessaire de se demander si les comportements observés sont bien le résultat d'interactions entre entités constituantes, ou bien s'ils dépendent d'une définition particulière du modèle. Nous allons ainsi être amenés à considérer la robustesse du modèle, à savoir la résistance de son comportement à de petites variations sur les attributs de sa définition. Dans un premier temps, nous montrons la pertinence de cette approche en considérant plusieurs définitions possibles d'une perturbation de la mise à jour globale et en les appliquant à une classe simple et représentative de modèles d'automates cellulaires, les Automates Cellulaires Elémentaires. Nous observons que, malgré le fait que nos perturbations soient proches et qu'une majorité des modèles considérés ne change pas de comportement, quelques cas particuliers montrent des changements qualitatifs du comportement que nous étudions plus en détail. Dans un second temps, nous appliquons cette approche en nous penchant sur un modèle particulier d'automate cellulaire, qui simule le phénomène de formation d'essaim à partir d'un modèle évolué d'automate cellulaire, le gaz sur réseau. Nous explorons la robustesse du comportement du modèle en considérant la perturbation de deux attributs du modèle, la forme de la grille cellulaire et la mise à jour globale, et en tirons les conclusions sur la relation entre l'observation du comportement et la définition précise du modèle.

Les automates cellulaires ont été introduits il y a une soixantaine d'années par von Neumann et Ulam qui cherchaient à définir les caractéristiques d'un système formel apte au calcul universel et à l'auto-reproduction. Leur utilité a été rapidement reconnue dans des domaines variés comme la physique et la biologie, pour modéliser des phénomènes complexes. En informatique, ils offrent un cadre privilégié pour l'étude du parallélisme massif. Leur description est simple et bien formalisée. Ils ont a la même puissance de calcul que les machines de Turing et de plus la richesse algorithmique propre aux machines parallèles tout en restant un modèle physiquement réaliste. Dans le cadre unificateur de la reconnaissance de langages, je m'intéresse aux questions de complexité sur les automates cellulaires, avec une attention particulière aux petites classes de complexité : calcul en temps réel (i.e. temps minimal) et en temps linéaire; en effet, c'est pour ces classes que l'apport du parallélisme est remarquable par rapport au mode séquentiel. Avec pour objectif de préciser les capacités de ce modèle et de mieux comprendre ce qu'est un calcul parallèle, trois tendances majeures se dégagent de mes travaux : l'étude des limites de ce modèle, la comparaison avec d'autres modèles de calcul et la question de l'influence de certains paramètres comme la dimension ou le voisinage sur ses capacités de reconnaissance.

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L’Impact des caractéristiques spatiales sur les dynamiques de développement urbain est d’un grand intérêt dans les études urbaines. L’interaction entre les résidents et les caractéristiques spatiales est d’un intérêt particulier dans le contexte des modèles urbains car de nombreux modèles urbains sont fondés sur le processus d’installation des individus dans des parties spécifiques des villes. Il s’agit d’une étude sur la dynamique de développement urbain avec des Automates Cellulaires et un Système Multi-Agent. Le développement urbain de cette étude recouvre le « urban renewal » et la mobilité résidentielle. Il correspond à la mobilité résidentielle des ménages qui sont attirés par le confort résidentiel et le confort de centralité ; ces conforts sont localisés dans quelques quartiers de Strasbourg. La diversité et la qualité de ces conforts deviennent des critères pour les choix résidentiels de telle façon que chaque ménage recherche la proximité de ces conforts. Dans cette étude l’Automate Cellulaire modélise les caractéristiques techniques des unités spatiales, celles-ci sont identifiées par des attributs inhérents qui sont égaux aux conforts dans les résidences et dans les zones urbaines. Dans le Système Multi-Agent la population de la ville de Strasbourg interagit entre elle et avec la ville. Les agents représentent les classes socio-professionnelles des ménages. Pendant un changement spatio- temporel, l’aspiration des ménages forme le développement socio-spatio-temporelle de la ville. / The impact of spatial characteristics on the dynamics of urban development is a topic of great interest in urban studies. The interaction between the residents and the spatial characteristics is of particular interest in the context of urban models where some of the most famous urban models have been based on the process of individual settlements in some specific parts of cities.This research investigates the dynamism of urban development modeled by Cellular Automata and Multi-Agent System. The urban development, in this study embraces urban renewal and residential mobility. It corresponds to the residential mobility of households, attracted by residential and centrality comfort; these comforts are crystallized in some areas and residences of Strasbourg. The diversity and quality of these comforts become criteria for residential choice in a way that the households seek for proximity to these comforts.The Cellular Automata in this study, models the spatial characteristics of urban spatial units and they are identified by some inherent attributes that are equal to the comfort in residences and urban areas. The Multi- Agent System represent a system in which the population of the city interact between them and between them and the city; the agents delegate the socio-professional classes of households. During the spatiotemporal change, the aspiration of households forms the socio-spatio-temporal development of the city.

L'objet de ce travail est de mieux comprendre ce qui se produit lorsque l'on perturbe un système complexe, en utilisant les automates cellulaires comme modèle. Nous nous intéressons principalement à deux perturbations. La première concerne l'écoulement du temps : contrairement au modèle habituel, nous utilisons des mises à jour asynchrones, c'est-à-dire que, à chaque étape, seulement une partie des cellules sont mises à jour. L'autre perturbation concerne la topologie, c'est-à-dire le graphe d'interaction entre les cellules.<br>Une première partie étudie expérimentalement l'apparition de la percolation dirigée dans les automates cellulaires, notamment dans le cadre du "damage spreading". Le dernier chapitre de cette partie prouve une équivalence entre une classe d'automates cellulaires probabilistes et les automates cellulaires asynchrones.<br>La seconde partie étudie dans un premier chapitre l'interaction des deux perturbations évoquées: asynchronisme et topologie. Alors que le modèle habituel utilise une grille Zd, nous étudions une grille où certains liens sont temporairement coupés. Puis un second chapitre démontre des propriétés théoriques sur la règles minorité lorsque la topologie est un arbre.<br>Nous avons dans cette thèse mené à la fois des études expérimentales et des études théoriques. Une préoccupation transversale est la simulation formelle entre modèles. L'enjeu de ces travaux est, à terme, de savoir comment obtenir des systèmes ayant un comportement global prédéfini, ou bien comment rendre robuste à certaines perturbations un système complexe donné.

Les changements climatiques ont des impacts considérables sur le temps, les océans et les rivages, la vie sauvage. Ils amènent des problèmes désormais considérés comme majeurs par les gouvernements et organisations internationales. Ces efforts ont fourni un cadre à cette thèse, qui propose de procéder en boucle fermée de l’observation d’insectes ravageurs, avec des centaines de capteurs en réseau ("light traps"), au système d’information, et enfin à des décisions de lutte, manuelles ou automatiques. Le point d’appui pratique est la conception d’un système de comptage d’insectes proliférant dans les cultures de riz (BPH). L’abstraction que nous développons est celle d’une machine environnementale de grande taille, distribuée, qui capte et synthétise l’information, élabore des connaissances, et prend des décisions. Autour de cette abstraction, nous avons élaboré un système de vision "fisheye" effectuant le comptage des insectes. Nous proposons un système d’information géographique directement connecté au réseau de capteurs. Le couplage direct, "cyber-physique", entre les systèmes d’information et l’observation de l’environnement à échelle régionale est une nouveauté transposable, qui permet de comprendre et contrôler quantité d’évolutions. / Climate changes bring problems related to nature evolutions. Global warming has an impact on sea level, weather patterns, and wild life. A number of national and international organizations are developing research programs in these directions, including threats on cultures and insect proliferation. Monitoring these phenomena, observing consequences, elaborating counteracted strategies are critical for the economy and society.The initial motivation of this work was the understanding of change impacts in the Mekong Delta region. From there, automatic observation tools were designed with a real time information system able to integrate environmental measures, then to support knowledge production.Tracking environment evolutions is distributed sensing, which can be the association of efficient sensors and radio communications, operated under the control of an information system. Sensing insects is very complex due to their diversity and dispersion. However, this is feasible in the case of intensive agricultural production as it is the case of rice, having a small number of pests. An automatic vision observatory is proposed to observe the main threats for the rice, as an evolution of manual light traps. Radio communication weaves these observatories into a network with connection to databases storing measures and possible counteractions. An example observatory has a fisheye camera and insect counting algorithms for the BPH practical case in Vietnam.By considering the observation system as an input for an abstract machine, and considering decision and actions taken as a possible control on the environment, we obtain a framework for knowledge elaboration that can be useful in lots of other situations.

Le développement futur des performances sportives est un sujet de mythe et de désaccord entre les experts. Un article, publié en 2004, a donné lieu à un vif débat dans le domaine universitaire. Il suggère que les modèles linéaires peuvent être utilisés pour prédire -sur le long terme- la performance humaine dans les courses de sprint. Des arguments en faveur et en défaveur de cette méthodologie ont été avancés par différent scientifiques et d'autres travaux ont montré que le développement des performances est non linéaire au cours du siècle passé. Une autre étude a également souligné que la performance est liée au contexte économique et géopolitique. Dans ce travail, nous avons étudié les frontières suivantes: le développement temporel des performances dans des disciplines Olympiques et non Olympiques, avec le vieillissement chez les humains et d'autres espèces (lévriers, pur sangs, souris). Nous avons également étudié le développement des performances d'un point de vue plus large en analysant la relation entre performance, durée de vie et consommation d'énergie primaire. Nous montrons que ces développements physiologiques sont limités dans le temps et que les modèles linéaires introduits précédemment sont de mauvais prédicteurs des phénomènes biologiques et physiologiques étudiés. Trois facteurs principaux et directs de la performance sportive sont l'âge, la technologie et les conditions climatiques (température). Cependant, toutes les évolutions observées sont liées au contexte international et à l'utilisation des énergies primaires, ce dernier étant un paramètre indirect du développement de la performance. Nous montrons que lorsque les indicateurs des performances physiologiques et sociétales -tels que la durée de vie et la densité de population- dépendent des énergies primaires, la source d'énergie, la compétition inter-individuelle et la mobilité sont des paramètres favorisant la réalisation de trajectoires durables sur le long terme. Dans le cas contraire, la grande majorité (98,7%) des trajectoires étudiées atteint une densité de population égale à 0 avant 15 générations, en raison de la dégradation des conditions environnementales et un faible taux de mobilité. Ceci nous a conduit à considérer que, dans le contexte économique turbulent actuel et compte tenu de la crise énergétique à venir, les performances sociétales et physiques ne devraient pas croître continuellement.