Aujourd'hui l'environnement connaît des bouleversements fondamentaux dus en grande partie à l'action de l'homme sur les milieux. En effet, tandis que les phénomènes climatiques et biophysiques ont été pendant longtemps les moteurs principaux des transformations des surfaces terrestres, l'Homme est aujourd'hui à l'origine de la majeure partie des transformations qui affectent les écosystèmes terrestres. Ainsi, les pratiques des acteurs du territoire jouent un rôle fondamental sur les modifications de l'usage des sols, et par conséquent sur les écosystèmes environnementaux. L'intensification de l'agriculture entraîne une dégradation des milieux " naturels ", et de profonds changements dans les structures paysagères. Dans les régions bocagères, la gestion du réseau de haies joue un rôle déterminant dans la conservation des écosystèmes, de la biodiversité tant faunistique que floristique et également sur la qualité de l'eau, des sols, ... Cette thèse, centrée sur les haies bocagères, porte plus particulièrement sur l'identification de pratiques agricoles territorialisées et sur leur organisation spatio‐temporelle. Les objectifs poursuivis dans cette thèse sont d'étudier les pratiques agricoles effectuées sur les haies en Bretagne à travers leurs interactions avec les structures paysagères, et d'en modéliser le fonctionnement, afin de comprendre comment elles influencent la dynamique du paysage.L'identification et la caractérisation des pratiques agricoles ont été effectuées à partir de l'évaluation de différents types d'images de télédétection à haute et très haute résolution spatiale et de données laser aéroportées LiDAR, en utilisant une approche de classification contextuelle orientée‐objets. La modélisation des pratiques agricoles a été réalisée avec un modèle multi‐agents, afin de prendre en compte la dimension spatiale des jeux d'acteurs pour évaluer l'influence des pratiques agricoles sur l'évolution du réseau de haies. Les résultats de l'observation du réseau bocager à partir des données de télédétection mettent en avant leur complémentarité : la caractérisation de la continuité des haies à un niveau fin est rendue possible grâce aux images à très haute résolution spatiale, tandis que la détermination et la cartographie des pratiques agricoles à l'échelle de l'arbre peut être appréhendée à partir de données laser aéroportées de type LiDAR. L'observation et la caractérisation du réseau de haies ont permis de déterminer l'arrangement spatial des structures boisées en prenant en compte non plus seulement la présence des éléments mais également leur emprise dans le paysage et leur agencement au sein de la dynamique temporelle des successions culturales. Le modèle multi‐agents développé a permis d'analyser l'influence des pratiques agricoles sur la dynamique du paysage, et de déterminer l'importance de décisions prises au niveau local sur l'évolution du réseau de haies à une échelle supérieure

Actuellement, la plupart des simulateurs électromagnétiques se basent sur une résolution des équations aux dérivées partielles. Ces simulateurs ont jusqu'à présent bénéficié d'une augmentation de la puissance informatique compensant les exigences de calcul nécessitées par la croissance de la complexité et de la dimension des objets à modéliser. Cependant la taille des problèmes cruciaux augmente beaucoup plus rapidement que la puissance informatique. Malgré les apports faits pour simplifier les calculs électromagnétiques, la difficulté à tenir compte de tels problèmes complexes nécessite un saut méthodologique important. La méthode dite " énactive ", proposée dans ces travaux, constitue une approche atypique pour la modélisation dynamique d'un environnement naturel et sa simulation en un système de réalité virtuelle. Issue de la modélisation des systèmes multi-agents, elle propose une méthode spécifique pour la modélisation de tels systèmes complexes où de nombreux phénomènes interagissent de nombreuses façons, à des échelles de temps et d'espace pouvant être très différentes. Nous cherchons à suivre l'évolution d'une onde électromagnétique et ses interactions éventuelles avec des objets d'un environnement in virtuo, i.e. à travers un laboratoire virtuel (virtuoscope). Dans ce contexte, cette thèse s'inscrit dans un cadre interdisciplinaire qui allie les outils et les techniques de la réalité virtuelle à la modélisation de phénomènes électromagnétiques. En outre, les phénomènes sont modélisés en tant qu'entités autonomes en interaction. Notre modèle doit donc reposer sur une définition rigoureuse des entités, à savoir les ondes et les milieux, et des interactions qui peuvent avoir lieu afin de reconstituer correctement l'ensemble des phénomènes électromagnétiques " réels " au sein d'un environnement virtuel. Aussi, nous n'avons pas de moyens nous permettant de vérifier ni de valider autrement que par l'expérimentation notre modèle. En ce sens, nous faisons l'enjeu et le pari de parvenir à construire un tel système énactique électromagnétique. Pour cela, nous avons mis au point un ensemble de scénarios d'environnements électromagnétiques, suite au développement de deux modèles de propagation, l'un unidimensionnel et l'autre bidimensionnel. Les résultats seront comparés à des méthodes plus classiques appropriées voire à la théorie lorsque c'est possible.

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger les Recherches présente les principales activités de recherche que j'ai menées depuis 2002 en tant que Maître de Conférences, tout d'abord à l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, jusqu'en 2006, puis à l'Université Henri Poincaré dans l'équipe Maia au LORIA. Ce mémoire synthétise une partie de mes contributions au domaine de la résolution collective de problème, en informatique et en robotique. Il s'agit d'une approche inspirée du vivant, reposant sur les interactions d'un grand nombre d'agents simples entre eux et avec leur environnement, capable de faire émerger des structures ou des organisations constituant des solutions à des problèmes donnés. Cette approche est connue pour générer des solutions robustes et auto-adaptatives aux conditions variables et inconnues de l'environnement ou du système. La principale motivation de ces travaux est de modéliser ces comportements d'auto-organisation pour mieux les comprendre et les utiliser dans la définition de processus de résolution de problème ou de contrôle de flottilles de robots. Dans ce cadre, le mémoire présente les recherches menées selon deux approches possibles des interactions entre agents. Dans un premier temps, nous considérons des interactions directes entre agents ou robots, essentiellement par signaux/perceptions, et montrons comment la coordination réactive peut être efficace pour la résolution de problèmes spatiaux, ainsi que pour la navigation en formation. Dans un deuxième temps, nous examinons des modèles de coopération indirecte, c'est-à-dire fondés sur le marquage et la lecture d'informations dans l'environnement. Nous focalisons sur l'étude des processus d'auto-organisation engendrés par ce principe, puis examinons des approches pour leur implémentation réelle et robotique. Enfin, le mémoire présente mes perspectives de recherche en détaillant des pistes pour la définition d'une approche générique de résolution collective de problème fondée sur la construction de champs dynamiques dans l'environnement, et pour son déploiement en robotique dans des environnements réels et large échelle.

La diffusion d'innovations est définie comme le processus de communication par lequel une idée, pratique, ou produit perçu comme nouveau se propage dans une population. Une innovation peut être une solution contraceptive, la décontamination de l'eau, ou l'achat de téléphones à l'ergonomie novatrice. Les institutions, tout comme les entreprises, cherchent à comprendre et prévoir le succès ou l'échec d'une innovation; elles espèrent aussi faciliter sa diffusion à moindre coût, notamment en facilitant le bouche à oreille. Une approche de modélisation-simulation permet de mieux comprendre ce processus social et de répondre à ces questions. La simulation multi-agents offre une approche puissante pour modéliser un tel processus social. Toutefois, les modèles actuels simplifient fortement les croyances et informations représentées dans le modèle; ces éléments sont pourtant reconnus comme centraux dans le processus de diffusion, puisqu'ils expliquent le succès ou l'échec de la diffusion, et constituent des variables décisionnelles de l'institution. Afin d'améliorer la descriptivité et l'utilité potentielle d'un modèle de diffusion d'innovations, nous explorons dans cette thèse une représentation des croyances plus réaliste. Le modèle se doit néanmoins de demeurer assez simple pour être paramétré et comparé à des diffusions réelles. Nous proposons de représenter les croyances des adoptants potentiels sous forme de réseaux associatifs, et définissons les mécanismes de manipulation de croyances adaptés. Un protocole d'entretien est proposé, qui rend le modèle paramétrable et validable. Le protocole de communication décrit la recherche et l'émission motivée de ces croyances sur des objets sociaux. L'exploration par simulation des paramètres du modèle permet notamment de mieux comprendre l'importance de la recherche d'information dans la dynamique d'information, et de remettre en cause certaines attentes du marketing viral. Le modèle développé exhibe un gain en descriptivité important, permettant notamment de décrire le marketing évènementiel ou l'échec de la diffusion d'innovation dû à l'incompréhension des messages institutionnels. Comme la plupart des modèles orientés agent, celui-ci s'avère extrêmement sensible à la structure des interactions (``réseau social'') définie dans le modèle. Faute de structure d'interaction réaliste, aucune validation du modèle, ni prédiction sérieuse, ne peuvent être envisagées. Les réseaux sociaux sont généralement considérés comme non collectables à grande échelle. Nous soulignons l'existence de statistiques et d'observations qualitatives sur ces liens, et proposons de formaliser ces connaissances sous forme de réseau bayésiens, ainsi qu'un algorithme générateur de réseaux d'interaction inspiré des théories actuelles sur les processus de sélection sociale. L'utilisabilité de ce générateur est illustrée par la génération d'un réseau d'interaction pour le Kenya rural, dans lequel est représentée la structure familiale, les liens entre collègues et amis, dans un environnement spatialisé. Ce générateur ouvre la voie à l'utilisation de réseaux d'interactions plus plausibles, susceptibles d'améliorer la descriptivité des modèles de phénomènes sociaux, diffusion d'innovations incluse.

Le dilemme itéré du prisonnier est une représentation mathématique de la coopération entre agents. Ce modèle est issu de la théorie des jeux dont le but initial est d'étudier les situations de conflits d'intérêts entre individus. La pauvreté des résultats qu'elle implique dans le cas du dilemme du prisonnier rend son utilisation assez inefficace. Une nouvelle approche évolutionniste basée en grande partie sur des simulations informatiques a été initiée par Robert Axelrod. Les agents sont caractérisés par leur comportement, ou stratégie. Axelrod a mis en évidence quatre propriétés qu'une stratégie doit posséder pour être efficace, et propose la stratégie donnant_donnant comme exemple.<br /><br />Notre travail consiste à étudier et approfondir ce type de simulations. Nous adaptons le modèle afin de prendre en compte l'aspect discret des calculs. Cette adaptation nous permet de faire un grand nombre de simulations confirmant en majeure partie les résultats obtenus dans le cas continu. Ceci remet cependant en cause une des propriétés avancées par Axelrod : la simplicité. Nous illustrons ceci par la présentation de stratégies meilleures que donnant_donnant et à complexité plus importante. Les évaluations sont faites grâce à des simulations impliquant un très grand nombre de stratégies construites de manière objective via une approche génétique.<br /><br />Ces simulations permettent de mettre en évidence une nouvelle propriété : la faculté d'adaptation du comportement. Cette nouvelle propriété renforce l'idée de complexité croissante dans les comportements coopératifs entre agents.<br /><br />Nous débutons également l'étude d'un dilemme du prisonnier particulier dont seule l'itération diffère du modèle classique et qui permet de modéliser deux niveaux de coopération : le dilemme de l'ascenseur. Cette étude théorique et expérimentale nous permet de montrer qu'avec cette nouvelle représentation les comportements purement déterministes ne peuvent être efficaces.

<p>Autonomous agent systems are systems in which many simple entities, called “agents”, interact with each other. The behaviour resulting from such interactions can be much more complex than that of the individual agents. A group of interacting agents can for example accomplish tasks that no single agent could.</p> <p>Nature provides several examples of autonomous agent systems, such as flocks of birds and insects, schools of fish, and anthills. Progresses in robotics, electronics and telecommunications make it now also possible to design such systems in order to accomplish particular tasks, such as the surveillance or exploration of areas, or the maintenance of some environments.</p> <p>In this thesis, we analyze two issues related to autonomous agent systems, and more precisely, to the influence of the inter-agent communication network on the system behaviour. In a first part, we consider the problem of preserving the shape of a multi-agent formation by explicitly maintaining the distances between some agents constant. We study the case of distance constraints that are unilateral, that is, constraints for which the responsibility is given to a one of the two agents concerned. This leads to the notions of persistence and constraint consistence. The second part is devoted to the consensus problems: agents have a value which they update by averaging that of other agents. Eventually, all agents may obtain a common value, in which case we say that the system reaches a consensus. One major difficulty in the study of such system is the possible dependence of the interaction and communication topology on the values of the agents. We study two paradigmatic systems in which this dependence can be taken into account, and obtain results on their convergence and on the stability of their equlibria.</p>

Les simulateurs de conduite sont utilisées par l'industrie automobile pour le développement de systèmes d'aide à la conduite, des études d'ergonomie, de design, ou encore du comportement des conducteurs. L'objectif est d'améliorer la sécurité des véhicules, et de réduire coûts et délais des projets. Dans les simulateurs, le conducteur évolue dans un trafic simulé dont le réalisme est crucial pour la validité des résultats : les réactions d'un conducteur sont d'autant plus correctes qu'il perçoit l'environnement comme réel. Dans les approches centrées individu, comme ici le trafic, un des critères important pour le réalisme est la variété comportementale des agents. De plus, les comportements doivent également être cohérents : l'apparition de situations aberrantes est très pénalisante pour l'immersion. Cependant, ces deux aspects ne sont généralement pas pris en compte simultanément. Dans ce travail, nous nous sommes donc intéressés à la question suivante : dans les approches centrées individus, augmenter la variété des comportements des agents tout en préservant leur cohérence améliore-t-il le réalisme ? Par ailleurs, le contexte industriel des travaux, effectués en convention Cifre chez Renault, impliquait des besoins spécifiques : il fallait concevoir un outil qui permette à la fois aux experts de spécifier des comportements variés et cohérents, et aux utilisateurs finaux de les exploiter facilement. Nous proposons dans ce travail un modèle de différenciation comportementale, qui se décline en un outil dont les principaux apports sont d'être générique, non-intrusif, et de permettre une conception en dehors de l'agent. Le modèle s'articule selon trois axes. Tout d'abord, il décrit les comportements des agents par des normes. Celles-ci fournissent un profil comportemental à la conception, et un contrôle de la conformitéà l'exécution. Ensuite, le processus de génération des comportements permet d'autoriser la création d'agents déviants ou en violation. Il influe pour cela sur le déterminisme du mécanisme. Enfin, les normes peuvent être inférées à partir de simulations enregistrées ou de situations réelles, afin d'analyser les résultats des expérimentations et d'automatiser la configuration du modèle. Nous avons appliqué cet outil à la simulation de trafic dans scaner, l'application développée et utilisée par le Centre Technique de Simulation de Renault pour ses simulateurs de conduite. Les modules logiciels développés au cours de la thèse introduisent dans le trafic des styles de conduite spécifiés sous forme de normes, par exemple des conducteurs prudents ou agressifs. Ils permettent ensuite de peupler l'environnement de manière automatisée, et de faire évoluer facilement les scénarios existants. Ces développements sont d'ores et déjà intégrés dans la version commerciale de l'application. Au delà de l'amélioration subjective du réalisme, les expérimentations réalisées démontrent les apports de l'outil sur la variété et la représentativité des comportements obtenus.

Les réseaux de transport se sont amplifiés par l'accroissement du nombre des véhicules et des stations ainsi que l'apparition de nouvelles notions essentiellement la multimodalité et l'intermodalité. Ainsi, la tâche de gestion des réseaux de transport collectif est devenue très complexe et difficile pour les régulateurs. Pour faire face à ces difficultés, on note le développement des systèmes d'aide à la décision comme solution efficace de régulation de la circulation. Ils permettent de transmettre en temps réel les informations concernant le trafic sur les réseaux de transport.Notre travail se base sur la conception d'un système de régulation des réseaux de transport multimodal. Il peut se révéler comme un outil primordial pour apporter des solutions efficaces et en temps réel à la problématique de la congestion routière. Il peut communiquer l'information nécessaire à l'usager afin de prendre sa décision de déplacement avec ou sans sa voiture. Le système proposé est une approche hybride entre une modélisation par graphes du réseau et un système multi-agents. Ceci sera appuyé par une approche évolutionniste pour la génération d'une solution de régulation optimale. Ce choix est justifié par le caractère ouvert, distribué et complexe des réseaux de transport multimodal.

Ce mémoire de thèse s'intéresse à la prise en compte de la dimension temporelle au sein des systèmes multi-agents (SMA) dans le contexte de systèmes industriels dynamiques.L'étude s'appuie sur l'approche Voyelles afin d'étudier l'impact du temps au sein de chacune des dimensions d'un SMA que cette approche distingue et afin de mettre en place un raisonnement temporel orienté multi-agents.Après avoir analysé les conséquences de la prise en compte du temps dans chacun de ses aspects, un ensemble de méthodes et d'outils sont proposés pour résoudre les problèmes mis en évidence. Le modèle de SMA temporel proposé présente notamment une prise en compte des aspects temporels au sein de l'interaction et del'organisation ainsi qu'un modèle d'agent permettant de les intégrer. Ces propositions sont ensuite confrontées à des applications concrètes issues du milieu industriel.

BAsCET est un système multi-agents à « blackboard », fondé sur l'émergence de concepts dans un modèle dynamique et inspiré de COPYCAT. Pour éviter un raisonnement déterministe unique limitant sa<br />créativité il adapte son comportement en fonction de la solution courante. Nous l'avons appliqué à la reconnaissance automatique de la structure logique (des champs) de références bibliographiques dans les articles scientifiques (en format uniquement physique, c'est-à-dire en PostScript). Le modèle, appelé Réseau de Concepts, s'apparentant à la fois aux réseaux sémantiques et aux réseaux de neurones, est construit automatiquement à partir d'une base de références BIBTeX. Le système utilise les co-occurrences entre les termes des références pour rapprocher dans le modèle ceux qui sont conceptuellement voisins. Le principe de l'analogie est utilisé sur les références de la base : quand le système rencontre une référence inconnue, il fait l'analogie avec la partie physique de la base et essaye de proposer une solution correspondante. Les résultats obtenus, bien que modérés (65,5% de reconnaissance), laissent augurer des résultats encore meilleurs, après optimisation du système.