Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ces dernières années ont vu le déferlement d'une vague d'information sous forme électronique liée à l'usage croissant du World Wide Web (WWW). Pour beaucoup, le World Wide Web est devenu un moyen essentiel pour mettre à disposition ou rechercher de l'information, conduisant à une forte accumulation de données. La recherche sur Internet dans sa forme présente devient vite exaspérante car les données disponibles peuvent être superficielles et de formes très diverses. Les utilisateurs du Web en ont assez d'obtenir des ensembles gigantesques de réponses à leurs requêtes simples, ce qui les oblige à investir de plus en plus de temps pour analyser les résultats. De nombreux résultats s'avèrent non pertinents et les liens les plus intéressants restent souvent en dehors de l'ensemble des résultats. Le chapitre1 introduit la motivation de notre travail de recherche. L'une des principales explications concernant la difficulté à effectuer une recherche d'information efficace est que les ressources existantes sur le web sont exprimées sous une forme destinée à la compréhension humaine. En d'autres termes, ces données sont difficilement utilisables par la machine et l'intervention humaine s'avère indispensable. Ainsi, l'un des principaux challenges est d'imaginer des outils intelligents fondés sur les concepts et méthodes autour de la représentation et du traitement des connaissances pour créer des données exploitables par la machine et obtenir de meilleurs résultats. Le chapitre 2 évalue et étudie les méthodes existantes et leurs limitations. De nombreux chercheurs ont travaillé sur la problématique de la compréhension des données par la machine et certaines des solutions les plus intéressantes sont les ontologies basées sur le « web sémantique ». Les ontologies permettent une meilleure « compréhension » des documents et facilitent à l'aide d'outils appropriés la qualité des recherches dans l'information existante. L'accent est mis sur la réflexion nécessaire à la construction de la signification du concept relié aux réseaux pour la représentation des connaissances. L'idée est de tendre vers la production semi-automatique voire complètement automatique de résultats de grande qualité. Autrement dit, l'objectif est de minimiser l'intervention humaine est de maximiser la qualité des résultats obtenus. Le chapitre 3 présente la plate-forme ToxNuc-E et le positionnement de notre recherche autour de cette plate-forme. Etant donné l'importance pratique et théorique du développement d'ontologies, il n'est pas surprenant de retrouver un grand nombre de chercheurs, fervents et engagés dans ce domaine de recherche. Dans le cadre de notre travail de recherche nous proposons une approche nouvelle, dite ESN (« Extended Semantic Network »), qui contrairement aux approches classiques, basées sur les mots clés, fonde la construction d'ontologie sur la convergence d'associations entre concepts ou nœuds sémantiques sur un ensemble de thèmes et la proximité des termes dans un ensemble de documents. Notre terrain d'application est le programme de toxicologie nucléaire environnementale français : ToxNuc-E. Le chapitre 4 précise le concept de « réseau de proximité », généré par des modèles mathématiques. L'idée de base de notre approche ESN est de construire efficacement une ontologie adaptée à la recherche d'information dans de larges corpus. La première phase consiste à traiter une grande quantité d'information textuelle en utilisant des modèles mathématiques pour automatiser la construction d'un embryon d'ontologie. L'objectif est d'obtenir un réseau de mots qui peut être assez volumineux. Celui-ci est calculé en utilisant des outils mathématiques venant de l'analyse de données et la classification automatique. Ainsi, la création d'un réseau de proximité repose alors sur la proximité des mots dans un document. Le chapitre 5 présente la construction des « réseaux sémantiques » et introduit notre modèle de conception pour gagner en efficacité. Le réseau sémantique est essentiellement un graphe orienté étiqueté permettant l'utilisation de règles génériques, de l'héritage, et de la représentation orientée objet. Il est souvent utilisé comme une forme de représentation des connaissances, où les concepts représentés par les nœuds sont connectés l'un à l'autre en utilisant les liens relationnels représentés par des arcs. Le réseau sémantique est construit de façon manuelle avec l'aide d'experts de la connaissance possédants la compréhension d'un domaine. Il est donc principalement construit par les hommes, dans notre approche de taille assez réduite, et d'une très bonne précision. Le chapitre 6 détaille le « réseau sémantique étendu ». La deuxième phase de traitement consiste à examiner attentivement et de manière efficace les différentes possibilités d'intégrer les informations issues du modèle mathématique (réseau de proximité) et du modèle cognitif développé manuellement (réseau sémantique). Cette phase se base sur une méthode heuristique développée dans l'extension des réseaux et utilisant les résultats de la méthode mathématique. Cette phase se termine en considérant le modèle humain (développé manuellement) comme le point d'entrée de notre réseau de concepts. L'idée principale est de développer une approche novatrice combinant les caractéristiques humaines et la théorie des concepts utilisée par la machine. Les résultats peuvent présenter un grand intérêt dans différents champs de recherche tels que la représentation des connaissances, la classification, l'extraction, ainsi que le filtrage des données. Le chapitre 7 illustre quelques expérimentations réalisées à l'aide de notre réseau sémantique étendu et ouvre des orientations pour les perspectives d'avenir. Les questions concernant la représentation des connaissances, la gestion, le partage et l'extraction d'information sont passionnantes et complexes. Cet attrait est en toute évidence essentiellement du aux rapports entre l'homme et la machine. Le fait que nous essayons de combiner les résultats de deux aspects différents constitue l'une des caractéristiques les plus intéressantes de notre recherche actuelle. Notre proposition peut faciliter la construction d'ontologies de manière plus rapide et plus simple. Le réseau sémantique étendu peut être utilisé, à la place d'une ontologie plus classique, par des outils comme par exemple : un classificateur de documents. Nous considérons notre résultat comme étant structuré par l'esprit et calculé par la machine. L'une des principales perspectives pour le travail à suivre est de trouver un bon compromis entre concepts du réseau sémantique et graphes de mot issus du réseau de proximité. D'autres perspectives à ce travail consistent à mettre en place des benchmarks dans différents contextes pour mesurer l'efficacité de notre prototype.

Ce travail de thèse vise à améliorer notre compréhension des effets l'entraînement en résistance sur la performance et le muscle strié squelettique. La dynamique de ces effets de l'entraînement a été appréhendée de façon systématique grâce à des outils issus de la théorie des systèmes, auprès de 26 rongeurs entraînés en résistance dans un protocole d'escalade avec charges additionnelles. Le modèle classique (Banister et coll, 1975) a permis de décrire les variations de performance de manière significative (R2 = 0,53, P<0,001). L'origine des gains de performance très marqués (+136% par rapport au groupe contrôle) a été recherchée parmi les mécanismes adaptatifs musculaires potentiels. A l'issue de l'entraînement, une augmentation de l'activité de la myosine ATPase de 123 ± 61% indépendante du phénotype a été observée par rapport aux animaux contrôles. Cette augmentation de la puissance chimique consommée semble liée à une augmentation de la vitesse des étapes d'hydrolyse de l'ATP et surtout de celle de la libération des produits de cette hydrolyse (i.e. ADP et Pi) accompagnant la bascule de la tête de myosine. Une nouvelle forme de plasticité musculaire semble avoir été identifiée. Sur la base des mécanismes adaptatifs musculaires, une nouvelle formulation mathématique plus physiologique du modèle des effets de l'entraînement a été proposée et a aboutit à une meilleure qualité d'ajustement (R2 = 0,71, P<0,001). La fonction impulsionnelle du modèle classique a été remplacée par une fonction exponentielle de croissance qui semble plus appropriée pour rendre compte à la fois des variations de performance mais aussi des adaptations qui surviennent au sein du tissu musculaire comme au sein des unités contractiles elles-mêmes. / This thesis work aims to improve our understanding of the effects of resistance training on performance and skeletal muscle. The dynamic of these effects of training has been apprehended systematically trough tools from systems theory, with 26 rodents resistance trained on a climbing protocol with additional weights. The classical model (Banister et al, 1975) was suitable to analyze the training response (R2 = 0.53, P <0.001). The origin of the very marked performance gains (+ 136% compared to the control group) was investigated among the potential muscle adaptive mechanisms. At the end of the training program, an increase of 123 ± 61% in myosin ATPase activity independent of the phenotype was observed compared to control animals. This increase in myosin ATPase activity seems to occur precisely during the main myosin head isomerization step (i.e. powerstroke) that includes the liberation of the hydrolysis products, and to a lesser extent, during ATP hydrolysis step. A new form of muscular plasticity seems identified. Based on muscle adaptive mechanisms, a new mathematical formulation, more physiological, of the model of the training effects has been proposed and resulted in a better fit (R2 = 0.71, P <0.001). The impulse function of the traditional model has been replaced by an exponential growth function that seems more suitable to analyze both the training response and the adaptations that occur within the muscle tissue as in the contractile units themselves.

L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes d'optimisation et de contrôle optimal pour l'amélioration du rendement des cultures en utilisant le modèle de croissance de plantes GreenLab. Les méthodes proposées doivent se placer dans le contexte suivant: (1) la recherche d'amélioration du rendement se fait par des simulations basées sur le modèle structure-fonction GreenLab et (2) les méthodes utilisées sont des algorithmes d'optimisation heuristiques et des techniques de contrôle optimal. L'application de ces méthodes à plusieurs espèces de plantes, allant des plantes agronomiques aux arbres, et avec des différents objectifs a permis d'identifier certaines caractéristiques associées à des plantes ayant un bon rendement. En particulier, les résultats d'optimisation ont révélé la dynamique des relations source-puits au sein de la plante durant sa croissance. Ces résultats peuvent être considérés comme des références pour guider la sélection génétique pour l'amélioration variétale, et également pour l'amélioration des itinéraires culturaux. La perspective à long terme de cette thèse est l'intégration de ses résultats dans des outils d'aide à la décision pour l'agriculture. Pour atteindre les objectifs de cette thèse, nous avons analysé successivement les effets de facteurs endogènes et exogènes (environnementaux) sur la croissance de la plante et sur son rendement. Plus précisément, l'effet des facteurs endogènes a été étudié à conditions environnementales fixées, puis des méthodes de contrôle optimal ont été appliquées sur les variables environnementales, pour un génotype de plante fixé. En conséquence, les problèmes traités dans cette thèse relèvent à la fois de la théorie de l'optimisation et du contrôle optimal. Les principales contributions de cette thèse incluent les points suivants : Des problèmes d'optimisation simple objectif, d'optimisation multi-objectif et d'optimisation sous contrainte ont été formulés et résolus, dans le but de trouver les paramètres endogènes associés à la plante ayant le plus haut rendement, ce qui correspond à la définition d'un idéotype, pour une plante d'espèce donnée. Pour la plupart des problèmes d'optimisation présentés, la méthode la plus appropriée est celle d'un algorithme basé sur une population. Plusieurs algorithmes de ce type ont été comparés et celui ayant les meilleures performances est un algorithme heuristique nommé Particle Swarm Optimization (PSO). Du contrôle optimal a été appliqué pour définir la stratégie d'élagage optimale (application aux feuilles de thé). Come GreenLab peut être formulé comme un système dynamique discret et que la fonction objectif est analytique, une méthode basée sur le gradient, basée sur une approche variationnelle et sur la théorie de Lagrange, a été utilisée. La solution trouvée à été comparée à celle obtenue par la méthode PSO afin de valider cette dernière. Un modèle de dynamique de population d'insectes a été développé à des échelles spatiales et temporelles compatibles avec le modèle GreenLab, afin d'étudier l'interaction plante-insectes. Plus précisément, un écosystème tritrophique a été modélisé, incluant les interactions entre les plantes, les insectes ravageurs et des prédateurs des ravageurs, appelés insectes auxiliaires. un modèle des interaction. L'originalité de ce travail est la rétro-action entre la dynamique de population des insectes et la croissance de la plante, ainsi que la prise en compte de la répartition spatiale des insectes sur chacun des organes de la plantes. Une analyse de sensibilité basée sur la méthode de Morris a été appliquée pour identifier les paramètres les plus ou moins influents sur les sorties d'intérêt. Cela a permis de calculer des stratégies optimales pour l'application des techniques d'éradication des ravageurs. Les paramètres de GreenLab ont été estimés sur environ 400 jeux de données correspondant à 44 génotypes de tomates, à l'aide d'un algorithme des moindres carrés non linéaires généralisés. Considérant l'ensemble des valeurs estimées comme l'espace des paramètres possibles, nous avons calculé les valeurs optimisant le rendement en fruits des tomates. Nous avons analysé les corrélations entre les paramètres estimés ou optimaux et le rendement à l'aide de méthodes statistiques, ce qui a permis d'identifier les plus importants paramètres responsables des différences observées parmi les rendements des différentes plantes. Ainsi, à partir de ces résultat d'optimisation et d'analyse des corrélation, les différences phénotypiques entre différents génotypes ont pu être expliquées d'un point de vue physiologique. / The objective of the thesis is to improve plant yield through optimization and optimal control based on the GreenLab plant growth model. Therefore, the thesis proposed a methodology for investigation of plant yield improvement，whose characteristics are that (1) investigations are all based on the functional-structural plant growth model GreenLab and (2) heuristic optimization algorithm and optimal control techniques are applied to the plant growth model in order to improve plant yield. By applying optimization techniques on different species of plants (crops or trees) and for different kinds of optimization problems, common characteristics that a plant with high yield should possess were obtained. The optimal results in the thesis revealed the source-sink dynamics during the plant growth. The optimization results can be considered as references to guide breeding for ideotype and to improve cultivation modes. The optimization application of GreenLab could thus be possibly used to the agricultural decision support system.To achieve the aims of the thesis, the thesis investigated the effects of endogenous factors and exogenous environmental factors of plant growth on plant yield separately. First, given environmental conditions, the thesis investigated endogenous factors, and then the thesis did optimal control on exogenous environmental factors given plant genotype. Therefore, the problems investigated in the thesis consist of general optimization problems and optimal control problems.The main contributions of the thesis include following issues: According to the species of plants, single optimization problems, multi-objective optimization problems and optimization problems with constraints with respect to plant endogenous factors were formulated and investigated, in order to find the ideotype of plants with high plant yield. A population based algorithm is more suitable for the optimization problems in this thesis. Due to its better performance compared with other heuristic optimization algorithms, all optimization problems were solved by a population-based, heuristic optimization algorithm, namely Particle Swarm Optimization (PSO). Optimal control on the pruning strategy was formulated and investigated in the thesis. As GreenLab can be considered as discrete dynamic system and the objective function of the optimal control problem is analytical, the gradient based method, which is based on the variational approach and Lagrange theory, was used to solve the optimal control problem. Moreover, the optimal solutions were compared with the ones found by PSO, in order to validate the PSO method. The insect population dynamics was modeled mathematically, which was compatible with the plant model GreenLab in terms of spatial and temporal scales, to study the effect of biotic factors on plant growth. The interaction among plants, pests and auxiliaries was implemented, and the ecosystem model, which involves the three tri-trophic components, was thus developed in the thesis. The tri-trophic ecosystem model can simulate the insect population dynamics and the plant growth with consideration of the interaction of insects. Moreover, the tri-trophic ecosystem model considered the partition of individuals in the insect population among plant organs, which is not taken into account in the previous works. A global sensitivity analysis method Morris method was used to analyze the most important parameters and the least influential parameters to model outputs of interest. Through optimization on pest management techniques, the optimal strategies of the application of the pest management techniques were obtained. Estimation of GreenLab parameters with about 400 sets of observation data of 44 tomato genotypes was done in the thesis, by using a generalized non-linear least square algorithm. Taking the estimated parameter values as parameter space, the GreenLab model parameters were optimized, in order to maximize the fruit yield. Through the analysis of the correlation of estimated and optimal parameters with the fruit yield by statistical analysis methods, the most important parameters that result in the difference of fruit yield were found. According to the correlation and optimization results, the phenotypic differences among genotypes were explained from the physiological point of view.

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

Face à l'émergence de la technologie laser sur les champs de bataille, la protection du combattant face à de potentielles agressions thermiques doit être assurée. Le contexte de cette étude, supportée par le ministère de la Défense, concerne principalement les interactions laser-peau (nue) et plus particulièrement la lésion qui peut en résulter : la brûlure. Afin d'observer les effets d'une telle agression sur ce matériau biologique, un modèle animal (le porc, dont la peau est très similaire à celle de l'Homme) est étudié selon trois longueurs d'onde. Se basant sur des études antérieures réalisées dans notre laboratoire ainsi que sur des recherches bibliographiques et considérant les résultats obtenus in-vivo, un modèle mathématique simulant les transferts de chaleur dans la peau soumise à des rayonnements lasers infrarouges est développé. Sa validation, à l'aide des expérimentations, permet de prédire les lésions que pourraient engendrer divers types d'agressions lasers sur le bras, le visage et sur la paume de la main. En complément, une étude est menée afin d'identifier un des paramètres clés de la modélisation : la diffusivité thermique d'un matériau biologique. Pour ce faire, considérant le cadre des méthodes périodiques, une analyse de sensibilité est effectuée pour désigner les paramètres dont les incertitudes influencent particulièrement les résultats et pour concevoir de manière optimale un banc expérimental dédié à l'identification. Enfin, les comparaisons, entre les résultats obtenus expérimentalement (avec les différents lasers) et ceux simulés, sont discutées et les perspectives de ces recherches sont présentées.

C'est dans le cadre des programmes de recherche sur les réacteurs nucléaires de génération IV que les aciers martensitiques de la famille des 9-12%Cr sont étudiés par le CEA. La plupart des structures pour lesquels ils sont pressentis seront sollicitées en fluage-fluage à haute température (550°C). Cette thèse vise à comprendre et modéliser le comportement cyclique et l'endommagement de ces matériaux. Les modélisations proposées se basent sur des campagnes d'observations détaillées (MEB, MET, EBSD,...). L'adoucissement cyclique est attribué au grossissement de la microstructure. Un modèle micromécanique basé sur des paramètres physiques est proposé et mène à des résultats encourageants. L'endommagement, quant à lui, résulte des interactions entre fatigue, fluage et oxydation. Deux principaux types d'endommagement sont mis en évidence. Un modèle de prédiction de durée de vie est proposé et fournit des résultats très satisfaisants. Les possibles extrapolations sont discutées.

L’un des défis actuels de la lutte contre la tuberculose est de développer un traitement plus court et plus efficace. La modélisation mathématique constitue une approche qui peut nous aider à comprendre les problèmes actuels et favoriser les innovations thérapeutiques. L’objectif de ce travail est de construire un modèle thérapeutique mathématique de la tuberculose pulmonaire basé sur des éléments pharmacocinétiques, pharmacodynamiques et physiopathologiques. La mise en application du modèle pharmacodynamique a été précédée d’une étude théorique sur l’équation de Hill. Cette synthèse a permis de dégager les bases rationnelles de son utilisation en modélisation pharmacologique. En utilisant une approche de population, un modèle pharmacocinétique de diffusion pulmonaire a permis de décrire les concentrations en rifampicine dans le plasma et le poumon chez 34 sujets. Le modèle a ensuite été utilisé pour analyser la valeur d’indices pharmacodynamiques corrélés à l’effet chez 10 000 sujets fictifs, par simulation de Monte Carlo. Les résultats indiquent que la dose de standard de rifampicine conduit à des concentrations globalement peu efficaces et pouvant favoriser la résistance bactérienne. Un premier modèle mathématique du traitement de la tuberculose par la rifampicine, incluant un modèle physiopathologique formel, a enfin été construit. Il permet de simuler la dynamique bactérienne du premier jour de l’infection au dernier jour de traitement. L’ensemble des résultats conduit à une remise en question de la dose standard de rifampicine et suggère une nouvelle hypothèse sur les causes de la persistance de Mycobacterium tuberculosis au cours du traitement antituberculeux / There is a critical need for a shorter tuberculosis treatment to improve tuberculosis control. Mathematical models may be helpful to understand current problems associated with tuberculosis therapy and to suggest innovation resources. The objective of this study is to set up a full mathematical model of tuberculosis treatment by rifampin, based on pharmacokinetic, pharmacodynamic and physiological submodels. Prior to its application in the pharmacodynamic modeling framework, the Hill equation has been the focus of a theoretical study. The various properties of this equation have been reviewed and the rationale of its use in pharmacological modelling has been clarified. Rifampin pharmacokinetics in plasma and lungs was modelled in a population of 34 volunteers by use of a nonparametric population approach. Then, a 10,000 subject Monte Carlo simulation was performed to explore Mycobacterium tuberculosis killing effect and prevention of resistance by rifampin. The results suggest that rifampin pulmonary concentrations obtained with the standard dose are too low to be highly effective and prevent drug resistance in most subjects. Finally, a full mathematical model of tuberculosis treatment, including a physiological model, has been implemented. The model is able to simulate the time-course of bacterial counts from the first day of infection to the last day of treatment. Overall results of this modelling effort indicate that current dosage regimens of rifampin may be optimized. In addition, this work suggests a new hypothesis regarding the bacterial persistence during tuberculosis treatment.

L'objectif de cette étude est de développer un modèle théorique du champ de pression acoustique réfléchi au-dessus d'un réseau constitué de N cavités rectangulaires. Pour cela, une adaptation de la méthode Kobayashi Potentiel (KP) a été effectuée au cas d'une cavité rectangulaire dans un écran rigide à épaisseur non négligeable. Ce modèle ainsi adapté a été généralisé au cas de réseaux contenant plusieurs cavités rectangulaires parallèles, puis étendu au cas de réseaux de cavités rectangulaires non parallèles. Une étude du couplage a été menée pour comprendre la variation de l'interaction acoustique existant entre les cavités en fonction de l'espacement et de la fréquence. Ce modèle a été comparé aux résultats théoriques, issus de la méthode des éléments finis (FEM), et aux résultats expérimentaux obtenus dans une chambre semi-anéchoïque pour une seule cavité, des réseaux de cavités rectangulaires parallèles et non parallèles. La validité du modèle théorique est soutenu par l'accord observé entre les résultats théoriques et expérimentaux / The purpose of this research project was to develop a theoretical model dealing with reflection of acoustic waves over a grating of N rectangular cavities. Thus, the diffracted acoustic fields were determined by adapting the Kobayashi Potential (KP) method to the case of a cavity. Then, this developed model was generalized to the case of parallel rectangular cavities gratings and then extended to the case of non parallel rectangular cavities ones. A study of the coupling was achieved in order to understand the variation in the acoustic interaction between cavities with spacings and frequency. This model was compared with theoretical results obtained from the finite element method (FEM) and experimental results obtained in a semi-anechoic chamber for a single cavity and gratings of parallel and non-parallel rectangular cavities. The validity of the theoretical model is supported by the agreement between the numerical and experimental results observed

La première partie de ce travail s'attache à l'aspect ergonomique de l'interface avec l'utilisateur et présente un prototype d'outils interactifs sur microordinateur. Puis on étudie l'utilisation des méthodes stochastiques pour affecter les jours de repos du personnel en minimisant l'insatisfaction du personnel. On présente alors une hemistique stochastique inspirée des principes du recuit thermodynamique et une autre basée sur la génétique qui se prête particulièrement bien au calcul parallèle