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

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

Ce travail de thèse propose quelques applications du formalisme des plus courts chemins à la segmentation de structures anatomiques dans des images médicales issues de modalités diverses.

Cette thèse est d'abord motivée par le souci d'élucider certains liens existant entre la théorie des ensembles flous et celle des probabilités, en les replaçant toutes deux dans un contexte plus général de mesures dites « d'incertitude ». Sur cette base, on développe des outils mathématiques susceptibles d'exprimer rigoureusement, de façon quantitative, les concepts duaux de possibilité et de nécessité. On montre notamment qu'on peut par là généraliser les opérations logiques ainsi que d'autres notions, telles que la cardinalité, à des ensembles dont les frontières sont mal définies, représentés par le biais d'une fonction d'appartenance, qu'on peut voir comme une distribution de possibilité. On développe, dans le cadre de la théorie des possibilités, un calcul analogue à celui des fonctions de variables aléatoires, appelé calcule des intervalles flous, qui généralise le calcule d'erreurs. Des éléments d'analyse de fonctions floues, étendant l'analyse des correspondances, sont fournis, notamment l'intégration de Riemann.<br /><br />Ces outils mathématiques sont appliqués à la formulation et à la résolution de problèmes d'analyse de la décision et de recherche opérationnelle. On étudie plus particulièrement l'agrégation de critère, l'évaluation des décisions et le choix en environnement incertain et imprécisément décrit, les algorithmes de plus courts chemins dans les graphes imprécisément valués, la programmation linéaire avec contraintes floues. On tente dans chaque cas de discuter les mérites et les limites de la théorie des possibilités par rapport à celle des probabilités, tant sur le plan de leur pouvoir descriptif que sur celui des calculs qu'elles entraînent, et des résultats qu'elles permettent d'obtenir.

La mobilité est un aspect important des sociétés modernes. Par conséquent, il y a une demande croissante pour des solutions informatiques de calcul d'itinéraire. Dans cette thèse, le routage multimodal et le système Dial-a-Ride sont étudiés. Ils contribuent à une utilisation plus efficace de l'infrastructure de transport disponible, élément déterminant dans la perspective d'un développement durable. La planification d'itinéraires multimodaux est rendus complexe en raison des différents modes de transport qui doivent être combinés. Une généralisation de l'algorithme de Dijkstra peut être utilisée pour trouver les chemins les plus courts sur un réseau multimodal. Cependant, sa performance n'est pas suffisante pour les applications industrielles. De ce fait, cette thèse introduit un nouvel algorithme appelé SDALT. Il s'agit d'une adaptation de la technique d'accélération ALT. Pour évaluer la performance de SDALT, un graphe a été construit à partir d'un réseau multimodal réel basé sur les données de transport de la région française Ile-de-France. Il inclut la marche, les transports en commun, la voiture, la bicyclette ainsi que des informations relative aux horaires les horaires et les conditions de circulation. Les tests de performance montrent que SDALT fonctionne bien, avec un temps de calcul réduit d'un facteur compris entre 1,5 et 60 par rapport à l'algorithme de base. Dans un contexte multimodal autre la question de la détermination du chemin le plus court, se pose celle de trouver un chemin aller-retour multimodal optimal entre un point de départ et un point d'arrivée. Un véhicule privé (voiture ou bicyclette) utilisé pour une première partie du trajet aller doit être récupéré au cours du trajet retour pour être ramené au point de départ. Pour cette raison, le parking doit être choisi de manière à optimiser les temps de déplacement du trajet aller et du trajet retour combinés. L'algorithme qui est proposé ici résout ce problème plus rapidement que les techniques actuelles. Le système Dial-a-Ride offre aux passagers le confort et la flexibilité des voitures privées et des taxis à un moindre coût et avec plus d'éco-efficacité car il regroupe les demandes de transport similaires. Il fonctionne de la manière suivante: les passagers demandent le service en appelant un opérateur. Ils communiquent leur point de départ, leur point de destination, le nombre de passagers, et quelques précisions sur les horaires de service. Un algorithme calcule ensuite les itinéraires et les horaires des véhicules. Cette thèse propose une nouvelle heuristique efficace et rapide de type Granular Tabu Search, capable de produire de bonnes solutions dans des délais courts (jusqu'à 3 minutes). Comparativement aux autres méthodes, et au regard des instances de test de la littérature, cet algorithme donne de bons résultats.

La représentation des temps de parcours est un enjeu influençant la qualité de l’information transmise aux usagers des réseaux de transport. En particulier, la congestion constitue un inconvénient majeur dont la prise en compte n’est pas toujours maîtrisée au sein des calculateurs d’itinéraires. De même, les évènements comme les réductions de capacité, les perturbations climatiques, ou encore les pics de fréquentation incitent à dépasser la définition statique des temps de parcours. Des travaux antérieurs se sont focalisés sur des temps dynamiques, i.e. dépendants de la date de départ, de manière à affiner le détail de la représentation, et à prendre notamment en compte le caractère périodique des congestions. La considération d’informations en temps réel est aussi une amélioration indéniable, que ce soit lors de la préparation du trajet, ou lorsqu’il s’agit de s’adapter à des perturbations rencontrées en cours de route. Ceci dit, aussi fines qu’elles soient dans les calculateurs disponibles, ces modélisations présentent un inconvénient majeur : elles ne prennent pas en compte toutes les facettes de la variabilité des temps de parcours. Cette variabilité est très importante, en particulier si l’on considère le niveau d’aversion au risque des usagers. En outre, dans un réseau multimodal, les correspondances éventuelles rendent encore plus critique l’incertitude associée aux temps de parcours. En réponse à ces enjeux, les présents travaux de thèse ont ainsi été consacrés à l’étude de temps de parcours stochastiques, i.e. vus comme des variables aléatoires distribuées.Dans une première étape, nous nous intéressons à la modélisation statistique des temps de parcours et à la quantification de leur variabilité. Nous proposons l’utilisation d’un système de lois développé dans le domaine de l’hydrologie, la famille des lois de Halphen. Ces lois présentent les caractéristiques typiques des distributions de temps de parcours, elles vérifient par ailleurs la propriété de fermeture par l’addition sous certaines hypothèses afférentes à leurs paramètres. En exploitant les ratios de moments associés aux définitions de ces lois de probabilité, nous mettons également au point de nouveaux indicateurs de fiabilité, que nous confrontons avec la palette d’indicateurs classiquement utilisés. Cette approche holistique de la variabilité des temps de parcours nous semble ainsi ouvrir de nouvelles perspectives quant au niveau de détail de l’information, notamment à destination des gestionnaires de réseaux.Par la suite, nous étendons le cadre d’analyse aux réseaux, en utilisant les résultats obtenus à l’étape précédente. Différentes lois de probabilité sont ainsi testées dans le cadre de la recherche du plus court chemin stochastique. Cette première étude nous permet de dresser un panorama des chemins identifiés en fonction du choix de modélisation. S’il est montré que le choix du modèle est important, il s’agit surtout d’affirmer que le cadre stochastique est pertinent. Ensuite, nous soulevons la relative inefficacité des algorithmes de recherche du plus court chemin stochastique, ceux-ci nécessitant des temps de calcul incompatibles avec un passage à l’échelle industrielle. Pour pallier cette difficulté, un nouvel algorithme mettant en oeuvre une technique d’accélération tirée du cadre déterministe est développé dans la dernière partie de la thèse. Les résultats obtenus soulignent la pertinence de l’intégration de modèles stochastiques au sein des calculateurs d’itinéraires. / The travel time representation has a major impact on user-oriented routing information. In particular, congestion detection is not perfect in current route planners. Moreover, the travel times cannot be considered as static because of events such as capacity drops, weather disturbances, or demand peaks. Former researches focused on dynamic travel times, i.e. that depend on departure times, in order to improve the representation details, for example concerning the periodicity of congestions. Real-time information is also a significant improvement for users aiming to prepare their travel or aiming to react to on-line events. However these kinds of model still have an important drawback : they do not take into account all the aspects of travel time variability. This dimension is of huge importance, in particular if the user risk aversion is considered. Additionally in a multimodal network, the eventual connections make the travel time uncertainty critical. In this way the current PhD thesis has been dedicated to the study of stochastic travel times, seen as distributed random variables.In a first step, we are interested in the travel time statistical modeling as well as in the travel time variability. In this goal, we propose to use the Halphen family, a probability law system previously developed in hydrology. The Halphen laws show the typical characteristics of travel time distributions, plus they are closed under addition under some parameter hypothesis. By using the distribution moment ratios, we design innovative reliability indexes, that we compare with classical metrics. This holistic approach appears to us as a promising way to produce travel time information, especially for infrastructure managers.Then we extend the analysis to transportation networks, by considering previous results. A set of probability laws is tested during the resolution of the stochastic shortest path problem. This research effort helps us to describe paths according to the different statistical models. We show that the model choice has an impact on the identified paths, and above all, that the stochastic framework is crucial. Furthermore we highlight the inefficiency of algorithms designed for the stochastic shortest path problem. They need long computation times and are consequently incompatible with industrial applications. An accelerated algorithm based on a deterministic state-of-the-art is provided to overcome this problem in the last part of this document. The obtained results let us think that route planners might include travel time stochastic models in a near future.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans la cadre de la planification de trajectoires optimales en présence d'obstacles pour des robots mobiles de type voiture et pour des robots à pattes. Le modèle de robot de type voiture étudié est celui de Dubins. Il s'agit grossièrement d'une voiture se déplaçant en marche avant uniquement et dont le rayon de braquage est minoré par 1. Nous avons considéré le problème du calcul d'une enveloppe convexe de courbure bornée d'un ensemble S de points du plan, c'est-à-dire d'un ensemble contenant S et dont le bord est de courbure bornée et de périmètre minimal. Nous montrons que si le rayon du plus petit disque contenant S est supérieur à 1, une telle enveloppe est unique. Nous montrons que le calcul d'une enveloppe convexe de courbure bornée se ramène à un problème d'optimisation convexe ou à la résolution d'un ensemble de systèmes algébriques. Nous proposons également un algorithme exact polynomial pour le calcul de trajectoires optimales en longueur lorsque le robot se déplace en présence d'obstacles dont les bords sont de courbure bornée et constitués de segments de droite et d'arcs de cercle. De tels obstacles peuvent être obtenu comme enveloppes convexes de courbure bornée d'obstacles polygonaux. L'algorithme calcule un graphe et recherche un plus court chemin dans ce graphe. Le calcul de ce graphe est effectué grâce à des techniques de géométrie algorithmique et par la résolution de systèmes algébriques dont nous montrons, à l'aide de résultants, qu'ils ont un nombre fini de solutions. Nous avons également étudié le problème de la planification de trajectoires pour des robots à pattes dont le corps est ponctuel et dont toutes les pattes sont attachées au même point. Les pattes du robot ont une longueur bornée et ne sont autorisées à se poser que dans certaines régions polygonales du plan. Nous présentons un algorithme quasi optimal pour le calcul de l'ensemble des positions du corps du robot en équilibre stable. Par une transformation judicieuse, nous nous ramenons au calcul de l'espace libre d'un robot de la forme d'un demi disque se déplaçant en présence d'obstacles.

Les systèmes de communication multimédia modernes aspirent à fournir de nouveaux services tels que des communications multipoints. Néanmoins, l'apparition de dispositifs multimédias très diversifiés et le nombre croissant de clients ont révélé de nouveaux besoins pour les mécanismes et les protocoles. Dans une communication multimédia, les flux présentent des contraintes différentes et la QdS requise pour chaque flux n'est pas la même. De plus, dans une communication multipoint, tous les utilisateurs ne peuvent pas ou ne sont pas capables de recevoir la même QdS ; cette contrainte implique que les nouveaux mécanismes de communication doivent prendre en compte les besoins des utilisateurs pour fournir un service adéquat à chaque utilisateur, surtout pour éviter le gaspillage des ressources réseau. Cette thèse propose une architecture multipoint à QdS différentiée appelée M-FPTP. Basée sur des proxies client/serveur, elle relie plusieurs LANs multipoints à travers des liens point-à-point partiellement fiables. Cette architecture fournit une QdS différente à chaque LAN dépendant des besoins des utilisateurs. Pour ce faire, nous proposons un modèle du réseau appelé Arbre Hiérarchisé (AH) qui représente en même temps les performances du réseau et les contraintes de QdS des utilisateurs. Nonobstant, l'application de méthodes standard pour la création d'arbres sur un AH peut conduire à des problèmes de surcharge du degré de sortie dans la source. Pour résoudre ce problème, nous proposons alors un nouvel algorithme appelé Arbre de Plus Courts Chemins à Degré de Sortie Limité. Le déploiement de ce service nécessite, pour gérer les utilisateurs et le déploiement correct des proxies, un nouveau protocole appelé Protocole Simple de Session pour QdS multipoint. L'ensemble des solutions proposées a été modélisé, vérifié, validé et testé en utilisant UML 2.0 et l'outil TAU G2.

Les graphes sont des objets couramment utilisés pour modéliser de nombreuses situations réelles comme des réseaux routiers, informatiques ou encore électriques. Ils permettent de résoudre des problèmes sur ces réseaux comme le routage (aller d'un sommet à un autre en suivant les arêtes du graphe) ou encore leur exploration (obtenir une carte du graphe étudié). Les réseaux étudiés, et donc les graphes qui les modélisent, peuvent être grands, c'est-à-dire avoir un très grand nombre de sommets. Dans ce cas, comme dans le cas de l'étude de grandes données en général, nous pouvons utiliser le paradigme << Diviser pour mieux régner >> pour répondre aux questions posées. En effet, en travaillant sur des petites parties du graphe et en fusionnant les résultats obtenus sur ces petites parties, on peut obtenir le résultat sur le graphe global. Dans ce document, nous présenterons une manière de décomposer les graphes en utilisant des plus courts chemins comme séparateurs. Cette décomposition permet d'obtenir, par exemple, un routage efficace, un étiquetage compacte pour pouvoir estimer les distances entre les sommets d'un graphe ou encore une navigation efficace dans les graphes<< petit monde >>. Cette méthode va nous permettre de définir de nouvelles classes de graphes. / Graphs are widely used to MODELISER a lot of real situations like road networks, computers networks or electricity ones. Using them, we can solve problems on these networks like routing (go from a vertex ti another one) or explore them (to have a map of studied graph).Studied networks, and so graphs which MODELISER them, can be large (i.e. have a lot of vertices). In this case, we can use the paradigm "Divide and conquer" to answer the questions. Indeed, working on small parts of graphs and merging the results on these small parts, we can obtain the result on the whole graph.In this document, we present a way to separate graphs using shortest paths like separators. This decomposition let to obtain a compact routing, a compact labeling to estimate the distance between vertices of the graph. This method let us to define new class of graphs.

L'émergence des expériences dites à haut débit permet l'acquisition rapide de données concernant un système biologique. Les biologistes disposent ainsi, aujourd'hui, d'un nombre important de données de natures hétérogènes qu'ils cherchent à structurer et analyser. Les méthodes dites intégratives proposent de répondre à cette demande, mais la création d'une méthode générale et satisfaisant les requêtes précises des biologistes constitue une tâche ardue. Ce mémoire s'inscrit dans cette problématique. Nous y abordons diverses méthodes d'intégration des aspects omiques (métaboliques, génomiques, transcriptomiques...) d'un système bactérien et nous proposons la nôtre, nommée SIPPER, qui est une méthode générique et flexible. SIPPER permet de retrouver de l'information biologique cohérente entre les différents aspects étudiés grâce à la construction d'un modèle intégratif et l'utilisation d'une distance reposant sur des propriétés ou hypothèses biologiques choisies. Nous avons appliqué SIPPER deux fois sur les données métaboliques et génomiques d'E. coli. La première application teste l'hypothèse "les chaînes de réactions successives du réseau métabolique sont catalysées à l'aide d'enzymes produites par des gènes proches sur le génome", et la seconde teste l'hypothèse "les chaînes de réactions successives sont catalysées par des gènes dont l'expression est similaire". Nous avons découvert, par ces expériences, des mesures caractérisant certaines entités biologiques comme la densité génomique qui permet l'identification d'opérons métaboliques. L'apport de l'intégration de données supplémentaires aux approches n'utilisant traditionnellement qu'un seul type d'information a également été illustré au travers de la génomique comparative. Nous avons ainsi élaboré M&W-IISCS_M, une méthode qui calcule des intervalles communs maximaux ayant un fort intérêt omique.