Les systèmes multi-agents sont des systèmes dynamiques composés par plusieurs éléments qui interagissent entre eux. Ces éléments sont appelés agents. Un agent est un système dynamique caractérisé par deux propriétés. La première est que les agents sont autonomes— c’est-à-dire qu’ils ne sont pas dirigés par l’environnement extérieur et ils peuvent évoluer selon un comportement auto-organisé. La seconde est que les agents sont capables de communiquer entre eux pour accomplir des tâches complexes, telles que la coopération, la coordination et la résolution de conflits. L’un des problèmes courants concernant les systèmes multi-agents est la synchronisation. Les agents sont synchronisés lorsque leur évolution dans le temps converge vers une trajectoire commune. Plusieurs applications du monde réel peuvent être conceptualisés comme des problèmes de synchronisation des systèmes multi-agents : par exemple, l’alignement en vitesse ( flocking en anglais), et le contrôle de la formation du mouvement de groupes cohérents. La synchronisation des systèmes multi-agents peut être obtenue grâce à différentes techniques de contrôle. Dans cette thèse nous proposons des méthodes de contrôle centralisées et distribuées pour la synchronisation des systèmes multi-agents. Nous développons des conditions nécessaires et suffisantes pour la synchronisation des systèmes multi-agents, composés par des agents identiques et linéaires qui ne changent pas dans le temps, en utilisant une approche Lyapunov. Ces conditions sont utilisées pour la conception de lois de contrôles distribuées. ensuite, nous étendons les résultats aux systèmes multi-agents soumis à des perturbations externes, assurant un niveau de performance désiré grâce à une technique de contrôle de type 퐻 ∞ . enfin, nous étendons l’analyse aux systèmes multi-agents avec contraintes sur les actionneurs, en utilisant des techniques de contrôle anti-windup. Nous évaluons l’efficacité et les performances des stratégies de contrôle proposées dans plusieurs simulations, dont deux d’entre elles sont inspirées par des applications issues du monde réel. La première est le contrôle du vol en formation d’avions, et la seconde est l’analyse de la transmission de contenus vidéo comme un problème de synchronisation. Nous comparons aussi les résultats obtenus avec des techniques de contrôle alternatives. / Multi-agent systems are dynamical systems composed of multiple interacting elements known as agents . Each agent is a dynamical system with two characteristics. First, it is capable of autonomous action—that is, it is able to evolve according to a self-organised behavior, which is not influenced by the external environment. Second, it is able to exchange information with other agents in order to accomplish complex tasks, such as coordination, cooperation, and conflict resolution. One commonly studied problem in multi-agent systems is synchronization. The agents are synchronized when their time evolutions converge to a common trajectory. Many real-world applications, such as flocking and formation control, can be cast as synchronization problems. Agent synchronization can be achieved using different approaches. In this thesis, we propose distributed and centralized control paradigms for the synchronization of multi-agent systems. We develop necessary and sufficient conditions for the synchronization of multi-agent systems, composed by identical linear time-invariant agents, us- ing a Lyapunov-based approach. Then we use these conditions to design distributed synchronization controllers. Then, we extend this result to multi-agent systems subject to external disturbances enforcing disturbance rejection with 퐻 ∞ control techniques. Furthermore, we extend the analysis to multi-agent systems with actuator constraints using LMI-based anti-windup techniques. We test the proposed control design strategies in simulated examples among which two are inspired by real-world applications. In the first, we study airplane formation control as a synchronization problem. In the second, we analyze the delivery of video streams as a synchronization problem and we compare the results to existing controllers.

Les architectures distribuées des systèmes embarqués sont souvent décrites sous la forme de composants concurrents communiquant entre eux. De tels systèmes sont à la fois orientés flot de données pour leur description, et dirigés par le temps pour leur exécution. Cette thèse s’inscrit dans cette problématique et se concentre sur le contrôle de la compatibilité temporelle d’un ensemble de données interdépendantes utilisées par les composants du système. L’architecture d’un système modélisé par composants forme un graphe où plusieurs chemins peuvent relier deux composants, avec des caractéristiques temporelles hétérogènes, ce qui induit des temps de parcours disparates. Il est alors important que ces flots d’information soient assemblés de façon cohérente sur le composant destinataire, c’est-à-dire de telle manière que le composant utilise en entrée des données dépendant (directement ou indirectement) du même pas d’exécution du composant à l’origine de ces flots multiples. Dans un premier temps, ce principe d’association cohérente de données est identifié et formalisé. Une méthodologie est proposée afin de détecter, dans un graphe de composants, les configurations pouvant poser des problèmes d’association de données. Dans un deuxième temps, différentes approches sont détaillées afin de gérer l’association cohérente des données dans des systèmes périodiques sans supposer de propriétés strictes sur l’ordonnancement des composants. Dans les systèmes où les composants partagent la même période et où les communications intra-périodiques sont interdites, l’association des données est gérée par un mécanisme de files permettant de rééquilibrer les temps de parcours des données sur les différents chemins. Dans le cas où les composants sont de périodes diverses, un mécanisme d’estampillage des données est utilisé afin de mémoriser les dépendances entre données. Associé à l’utilisation de files, cet estampillage permet aux composants de sélectionner, à chacune de leurs phases d’activation, des ensembles de données cohérents choisis parmi les données à leur disposition. La notion d’association cohérente est ensuite relâchée, permettant une utilisation de données approximativement cohérentes. Des files filtrantes, n’enregistrant qu’une donnée sur un certain nombre de données reçues, permettent de réduire la taille des files nécessaires. Par ailleurs, du fait de la liberté du modèle d’exécution choisi, il existe des situations où il est impossible de garantir la vivacité de l’association cohérente des données. D’autre part, une architecture particulière peut générer des contraintes de cohérence conflictuelles et aboutir à une impossibilité de gestion de la cohérence. Pour terminer, les résultats de ces travaux sont appliqués sur le logiciel applicatif d’un satellite d’observation terrestre détectant des points chauds. / Distributed real time architecture of an embedded system is often described as a set of communicating components. Such a system is both data flow (for its description) and time-triggered (for its execution). This thesis fits in with these problematics and focuses on the control of the time compatibility of a set of interdependent data used by the components of the system. The architecture of a component-based system forms a graph of communicating components, where more than one path can link two components. These paths may have different timing characteristics, so information which transits on these paths takes various time to reach the final component. However, the flows of information need to be adequately matched, so that the final component uses inputs which all (directly or indirectly) depend on the same production step of the initial component. We call this property consistent data matching. The data matching property is defined and formalized. A methodology is proposed to detect, in a component graph, the architecture configurations that have to be analyzed. Several approaches are developed to manage data matching in periodic systems, without considering strict properties on the system scheduling. First, we consider systems composed by components sharing the same period and where intra-periodic communications are forbidden. Data matching is managed using queues that allows to balance the data transit times through the several paths. Then, we study systems where components have independent periods. Queues are also used and data timestamping is added to record data dependencies. Thus, a component is able, for each of its activation steps, to select consistent data sets according to data dependencies among the available input data. Data matching consistency is relaxed to allow the use of approximately consistent data sets. We use filtering queues which record only one data among a given number they receive. Their use allows to reduce the necessary queue size. Due to the loose execution model constraints, some situations exist where data matching liveliness is not guaranteed. Moreover, particular system architectures generate conflictual constraints and lead to an impossible data matching management. The thesis results are applied on the software of an earth observation satellite constellation, Fuego, which detects fires or eruptions.

Internet est un réseau de réseaux permettant la mise en œuvre de divers services consommés par les utilisateurs. Malheureusement, chacun des éléments présents dans le réseau ou impliqués dans ces services peut potentiellement exhiber des défaillances. Une défaillance peut être perçue par un nombre variable d'utilisateurs suivant la localisation dans le système de la source de celle-Ci. Cette thèse propose un ensemble de contributions visant à déterminer du point de vue d'un utilisateur percevant une défaillance, si celle-Ci est perçue par un faible nombre d'utilisateurs (défaillance isolée) ou à l'inverse par un très grand nombre d'utilisateurs (défaillance massive). Nous formalisons dans un premier temps les défaillances par leur impact sur la perception des services consommés par les utilisateurs. Nous montrons ainsi qu'il est impossible, du point de vue d'un utilisateur, de déterminer de manière certaine si une défaillance perçue est isolée ou massive. Cependant, il possible de déterminer de manière certaine pour chaque utilisateur, s'il a perçu une défaillance isolée, massive, ou s'il est impossible de le déterminer. Cette caractérisation est optimale et totalement parallélisable. Dans un second temps, nous proposons une architecture pour la caractérisation de fautes. Les entités du système s'organisent au sein d'une structure à deux niveaux permettant de regrouper ensemble les entités ayant des perceptions similaires et ainsi mener à bien l'approche proposée. Enfin, une analyse probabiliste de la résistance au dynamisme et aux comportements malveillants du second niveau de cette architecture complète ce document. / The Internet is a global system of interconnected computer networks that carries lots of services consumed by users. Unfortunately, each element this system may exhibit failures. A failure can be perceived by a variable range of users, according to the location of the failure source. This thesis proposes a set of contributions that aims at determining from a user perception if a failure is perceived by a few number of users (isolated failure) or in contrast by lots of them (massive failure). We formalize failures with respect to their impact on the services that are consumed by users. We show that it is impossible to determine with certainty if a user perceives a local or a massive failure, from the user point of view. Nevertheless, it is possible to determine for each user whether it perceives a local failure, a massive one or whether it is impossible to determine. This characterization is optimal and can be run in parallel. Then, we propose a self-Organizing architecture for fault characterization. Entities of the system organize themselves in a two-Layered overlay that allows to gather together entities with similar perception. This gathering allows us to successfully apply our characterization. Finally, a probabilistic evaluation of the resilience to dynamism and malicious behaviors of this architecture is performed.

Dans de nombreux secteurs industriels, la miniaturisation des systèmes est devenue une nécessité afin de réduire l’espace occupé, le poids, les prix et la consommation d’énergie et de matière. Pour ce faire, les industriels utilisent les Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS). En revanche, les MEMS présentent plusieurs problèmes de fiabilité dus à leurs nombreux mécanismes de défaillance qui ont un impact sur la disponibilité des systèmes dans lesquels ils sont utilisés. Il est alors important de surveiller ces microsystèmes, d’anticiper leurs défaillances et de recommander les actions nécessaires afin d’allonger leur durée de vie. Une solution efficace pour ce faire est de développer le Prognostics & Health Management (PHM) pour les MEMS. Dans cet esprit, la thèse porte sur le pronostic et l’étude de l’état de santé de MEMS et la prise de décision post-pronostic dans les systèmes contenant ces microsystèmes. L’objectif est de rendre un système à base de MEMS distribué intelligent en intégrant des modules d’évaluation et de prédiction de l’état de santé du système ainsi que des capacités d’auto-adaptation dépendant des missions que le système doit accomplir. Dans un premier temps, une approche de pronostic hybride pour les MEMS basée sur le filtrage particulaire est proposée. Dans un second temps, et afin de mieux utiliser les résultats de cette approche, une stratégie de décision post-pronostic dans les systèmes distribués à base de MEMS est introduite. Un simulateur distribué a été développé pour simuler la décision post-pronostic. La performance de l’approche de pronostic et de la stratégie de décision post-pronostic est validée sur une application réelle, à savoir un convoyeur modulaire à base de MEMS distribués. Un cycle complet de PHM est ainsi développé : de l’acquisition des données à la prise de décision. / In many industrial sectors, system miniaturization becomes mandatory, allowing reducing occupied space, weight, price, power and material consumption. For this, manufacturers use Micro-Electro- Mechanical Sytems (MEMS). However, MEMS devices have several reliability issues due to their numerous failure mechanisms, which have an impact on the availability of systems where they are utilized. Therefore, it is important to monitor these micro-systems, to anticipate their failures and to perform appropriate actions to maximize their lifespan. One possible solution is to develop the Prognostics & Health Management (PHM) for MEMS. The thesis deals then with the prognostics and the study of MEMS health state and the post-prognostics decision making in systems containing these micro-systems. The aim is to make a MEMS-based system distributed and intelligent by integrating modules of health state assessment and prediction and capacities of self-adaptability dependent of the tasks performed by the system. Firstly, a hybrid prognostics approach for MEMS based on the particle filtering is proposed. Secondly, and to better use the results of this approach, a post-prognostics decision strategy in MEMS-based distributed systems is introduced. This strategy is based on a distributed decision algorithm. The performance of the prognostics approach and the post-prognostics strategy is validated on a real application consisting of a modular conveyor based on distributed MEMS. A complete PHM cycle is thus performed: from data acquisition to decision making.

Les systèmes temps réel et distribués posent des problèmes complexes en termes de conception d'architecture et de description de comportements. De par leur criticité en vies humaines et leurs coûts de prototypage, ces systèmes ont motivé le développement d'une activité de recherche sur les langages de modélisation formelle et les techniques de validation basées modèle qui contribuent à la détection au plus tôt des erreurs de conception. Néanmoins, les langages formels ont eu un succès plus que limité dans l'industrie. L'arrivée du langage UML (Unified Modeling Language) a ouvert de nouveaux horizons pour l'intégration de langages de modélisation formelle dans une méthodologie de conception susceptible d'être mieux acceptée par les praticiens du domaine. En s'appuyant sur une expérience antérieure de la technique de description formelle Estelle et des extensions temporelles des réseaux de Petri, notre activité de recherche sur les cinq dernières années a débouché sur la production d'un profil UML nommé TURTLE (Timed UML and RT-LOTOS Environment). TURTLE surpasse UML 2.0 par ses extensions aux diagrammes d'analyse et de conception UML, sa sémantique formelle exprimée en RT-LOTOS, et ses outils de support (éditeur de diagrammes et outil de validation formelle combinant simulation et vérification basée sur une analyse daccessibilité). La méthodologie TURTLE trouve son champ d'application naturel dans la conception de systèmes temps réel et la validation d'architectures de communication en particulier. L'approche proposée a été appliquée avec succès à des systèmes satellitaires et des protocoles d'authentification.

Cette thèse démontre la faisabilité d'un intergiciel destiné aux grilles de calcul, prenant en compte la dynamicité de ce type de plateforme, et les impératifs des programmes parallèles à passage de message. Pour cela, nous mettons en avant l'intérêt d'utiliser une architecture la plus distribuée possible : nous reprenons l'idée d'une infrastructure pair-à-pair pour l'organisation des ressources, qui facilite notamment la découverte des ressources, et nous retenons les détecteurs de défaillance distribués pour gérer la tolérance aux pannes. La dynamicité de ce type d'environnement est également un problème pour le modèle d'exécution sous-jacent à MPI, car la panne d'un seul processus entraine l'arrêt de l'application. La contribution de P2P-MPI dans ce domaine est la tolérance aux pannes par réplication. Nous pensons qu'elle est la mieux adaptée à une architecture pair-à-pair, les techniques classiques basées sur le check-point and restart nécessitant un ou des serveurs de sauvegardes. De plus, la réplication est totalement transparente à l'utilisateur et rejoint ainsi l'objectif de simplicité d'utilisation que nous nous sommes fixés. Nous pensons que garder un environnement très simple d'utilisation, entièrement maîtrisable par un utilisateur, est un des facteurs permettant d'augmenter le nombre de ressources disponibles sur la grille. Enfin, la contribution majeure de P2P-MPI est la librairie de communication proposée, qui est une implémentation de MPJ (MPI adapté à Java), et qui intègre la réplication des processus. Ce point particulier de notre travail plaide pour une collaboration étroite entre l'intergiciel, qui connaît l'état de la grille (détection des pannes par exemple) et la couche de communication qui peut adapter son comportement en connaissance de cause.

Le modèle du système réparti s'oppose au modèle classique dit ''client-serveur'' par l'absence de serveur central. Supprimer ce serveur a des conséquences bénéfiques: le réseau entier ne dépend plus de cette unique entité et ainsi un système réparti est plus robuste. Mais cette suppression a aussi un coût: le serveur centralise les données et a une connaissance globale (ou totale) du système. Dans un système réparti au contraire, aucune entité n'a de connaissance globale du système et de son état. Chaque entité échange de l'information avec un sous-ensemble des entités du système. On parle alors de vision locale (ou partielle) du système. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la structure induite par ces visions locales et à son impact sur les applications réparties. Notre étude prend pour contexte différents modèles des systèmes répartis: le modèle partiellement synchrone, le modèle pair-à-pair et le modèle des réseaux de capteurs fixes. Notre approche se divise en trois parties: 1) nous montrons l'impact des structures de communication sur les applications réparties, et proposons une manière de capturer cet impact. Ensuite, 2) nous montrons comment l'utilisation d'hypothèses sur ces structures permet de résoudre deux problèmes classiques des systèmes répartis. Enfin 3) nous montrons comment transformer ces structures de communication en des structures logiques et explicites: les systèmes de coordonnées.

Mes travaux de recherche portent sur les modèles de programmation distribuée, principalement par objets et composants. Dans ce domaine, j'ai travaillé à fournir des outils facilitant la programmation d'applications distribuées à large échelle et vérifiant la correction de leur comportement. Pour faciliter la programmation d'applications distribuées je me suis intéressé à la mise au point de langages avec un fort niveau d'abstraction: objets actifs, squelettes algorithmiques, composants. Afin de vérifier la correction du comportement d'une application j'ai collaboré à la mise au point d'outils de spécification et de vérification comportementales d'applications distribuées. Mes travaux ont pour but de fournir un modèle formel des langages de programmations, des bibliothèques, et des environnements d'exécution fournies au programmeur afin de garantir un comportement sûr des applications distribuées. Ma thèse m'a permis de mettre au point le calcul ASP modélisant lecomportement des objets actifs et des futurs. Depuis, nous avons créé une version fonctionnelle de ce calcul que nous avons modélisé en Isabelle/HOL. Aussi j'ai fortement contribué à la définition d'un modèle à composants distribués -- le GCM (Grid Component model)--, à sa formalisation et à son utilisation pour programmer des composants adaptables ou autonomes. Enfin, j'ai contribué à la spécification et la vérification comportementale des programmes utilisant des objets actifs et des composants afin de garantir la sûreté de leur exécution. Actuellement, nous travaillons à la fois à une extension multi-threadée du modèle à objets actifs mieux adaptée aux machines multi-coeurs, et à l'utilisation de méthodes formelles pour mettre au point et prouver la correction d'un algorithme de diffusion pour réseau pair-à-pair de type CAN (Content Adressable Network). Ce manuscrit fournit une vue d'ensemble de tous ces travaux.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse traite l’utilisation des agents mobiles dans le domaine des algo- rithmes distribués en les déplaçant de manière aléatoire dans le réseau. Initialement k agents mobiles ayant les identités uniques sont placés dans le réseau. On décrit un algorithme distribué pour calculer un arbre couvrant dans les réseaux dynamiques en utilisant les agents mobiles. Les agents marquent les noeuds sur les quelles ils arrivent. Ils utilisent deux techniques di?érentes : le clonage dans lequel un agent crée son propre clone pour faire quelques tâches et le marquage sur la tableau de bord (un espace mémoire sur les noeuds). Ces techniques sont utilisés dans les applications comme l’arbre couvrant, le rassemblement et la collecte d’information. Chacun des agents détient une information partielle. Quand deux ou plusieurs agents se rencontrent sur un noeud, ils fusionnent en un seul agent. On s’intéresse alors au temps nécessaire ou tous les k agents fusionnent en un seul et unique agent. On présent une chaîne de Markov pour le comportement des agents, et on montre comment on peut utiliser cette technique pour calculer la bourne supérieur. On étudie le même problème quand les agents mobile commencent la marche aléatoire sous un régime stationnaire. On a aussi étudié le problème de Handshake et on l’a analysé en utilisant les agents mobiles. / This thesis deals with the use of mobile agents in distributed algorithms by performing random walks in the network. k mobile agents having unique identities are placed initially in a network. We describe a distributed algorithm for computing spanning trees in dynamic networks by using mobile agents. The agents mark the nodes on which they arrive. They use two di?erent techniques. In one problem they use the cloning in which an agent creates its own clone to do some task assigned. In the second, the mobile agents mark on the whiteboard (a memory location on the nodes). These techniques are used in applications such as spanning tree, gathering and collecting information. The mobile agents have limited knowledge and hence, they are not intelligent and do not have computational capabilities. When two or more agents meet at a node of the underlying graph, they merge into a single agent. The parameter of interest is the expected time for all the agents to merge into a single agent. We present a Markov chain, modelling the agents behavior, and show how this can be used to upper bound the expected time for all the k agents to merge into a single agent. We study the same problem when the mobile agents start their walk directly under stationary regime. Handshake problem is also studied and analyzed using mobile agents.