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International audience; Hydraulic systems are used in several industrial applications, including manufacturing, automobiles and energy for example. Monitoring the condition of hydraulic equipment is essential to maintain high productivity and reduce the costs of system process. Best practices have been evolving from reactive maintenance to predictive maintenance, with intelligent fault diagnosis, using recent advances in industrial Internet of Things, artificial intelligence, edge computing, etc. Beyond design, the digital twins offer advantages in predictive maintenance and provides a new paradigm for fault diagnosis. The CETIM's "Fluid & Sealing Technologies" department proposes to present its R&D work to illustrate the concept of a digital twin of a fluidic loop. For this purpose, a closed hydraulic loop has been instrumented. It is equipped with a pump, a heat exchanger, a tank, a regulation valve and three piping sections. The objective of the study is to identify process faults (pipe clogging, exchanger performance degradation, etc.). These defects are manifested by a difference between the process variables (pressure, flow, and temperature) evaluated by the model and measured on the physical loop.

Steganography is the discipline concerned with techniques designed to embed hidden data into an innocuous cover media. In the case of this manuscript, the cover media of choice are JPEG images. Steganography schemes based on a statistical model of natural images possess a clear advantage against schemes based on heuristics. Indeed, they provide a direct link between theoretical detectability and empirical performance. However, this advantage is dependent on the accuracy of the underlying cover and the stego model. Until the work presented in this manuscript, the available models were not accurate enough for statistical steganography schemes to attain competitive performances in the JPEG domain or to provide security guarantees for natural images. In this manuscript, we propose two main contributions to solve this problem. First, we derive a model of noise in the developed domain which takes into account the camera sensor, ISO setting and the full processing pipeline. This leads to a multivariate Gaussian model of the noise which models intra and inter-block dependencies in JPEG images. Secondly, we design a series of steganographic algorithms leveraging this noise model. They minimize or bound the power of the most powerful detector to provide security guarantees when meeting the model assumptions. In particular, we show that the optimal covariance of the stego signal is proportional to the covariance of the cover noise. Finally, these algorithms are shown to attain state-of-the-art performance, greatly outperforming the standard algorithms in side-informed JPEG steganography.; La stéganographie est la discipline traitant des techniques visant à dissimuler de l'information dans un média de couverture jugé inoffensif. Dans le cadre de ce manuscrit, les médias de couvertures choisis sont des images JPEG. Les schémas stéganographiques basés sur un modèle statistique d'images naturelles présentent un avantage certain par rapport aux schémas basés sur des heuristiques. En effet, ils fournissent un lien direct entre détectabilité théorique et performances empiriques. Cependant, cet avantage dépend de la précision des modèles sous-jacents. Cette précision était insuffisante dans les travaux précédants ce manuscrit. Nous proposons deux contributions principales pour résoudre ce problème. Premièrement, nous dérivons un modèle de bruit prenant en compte le capteur, le réglage ISO et la chaîne de traitement. Cela conduit à un modèle gaussien multivarié du bruit modélisant les dépendances intra et inter-blocs dans les images JPEG. Ensuite, nous concevons une série de schémas stéganographiques exploitant ce modèle de bruit. Ils minimisent ou bornent la puissance du détecteur le plus puissant pour fournir des garanties de sécurité lorque les hypothèses du modèle sont respectées. En particulier, nous montrons que la covariance optimale du signal stégo est proportionnelle à la covariance du bruit de l'image cover. Enfin, nous montrons que ces algorithmes atteignent des performances à l'état de l'art, dépassant largement les algorithmes standard de la stéganographie JPEG.

Ce travail présente une optimisation de la caractérisation thermique par la méthode flash de l'argent fritté, utilisé notamment pour le report de composants électroniques. L'étude s'appuie sur une évaluation comparative de la durée et du niveau d'intensité d'excitation du laser, par rapport à la face de mesure, et de leurs effets sur la précision de l'estimation des diffusivités thermiques du matériau. La méthode d'estimation des diffusivités repose sur la résolution d'un problème inverse en minimisant l'écart quadratique entre la réponse d'un modèle semi-analytique 3D et les mesures issues d'une unique expérience de type méthode flash. Pour cette étude préliminaire, des données synthétiques représentatives seront utilisées. L'estimateur retenu, connu sous le nom de ENH (Estimation par Normalisation des Harmoniques), consiste à diviser les mesures par une harmonique de référence de manière à transformer le problème inverse non-linéaire en un problème inverse linéaire par rapport aux paramètres à estimer. Cette méthode permet l'estimation simultanée des composantes de la diffusivité dans le plan de l'excitation ($\alpha_x$ et $\alpha_y$) ainsi que les paramètres associés à l'excitation non uniforme. La précision de la méthode est évaluée à partir de données synthétiques, et les résultats de l'identification correspondants aux configurations étudiées, en termes de face de mesure et d'excitation, sont présentés et commentés.

Understanding and predicting the hemodynamics of cardiovascular pathologies is crucial to improve the management and diagnosis of such diseases. Mathematical blood flow models are a suited alternative to classical approaches such as invasive measurements, data analysis methods, and medical imaging techniques. To be used as predictive tools for patient-specific studies, blood flow models need to be computed in real medical time, typically the diagnosis time. Three-dimensional models that simulate the interaction between the fluid and the mechanics of the arterial wall provide really precise data, however, they require important computational resources. Reduced-order models allow determining the pressure and flow fields with a low computational cost and in regions of the arterial network inaccessible to visualization techniques and invasive measurements. The goal of this thesis is therefore to derive a hierarchy of reduced-order models, from simple to complex, in order to study different pathologies as for instance vascular stenoses, or pulmonary hypertension.; Comprendre et prédire l’hémodynamique impliquée dans les pathologies cardiovasculaires est essentiel pour améliorer la gestion et le diagnostic de ces maladies. Les modèles d'écoulement sanguins sont une alternative intéressante aux approches classiques comme les examens invasifs et les techniques d’imagerie médicale. Pour être utilisés comme des outils prédictifs pour des simulations patient-spécifique, les modèles doivent avoir un temps de calcul réduit, de l’ordre de celui du diagnostic médical. Les modèles complexes tri-dimensionnels qui considèrent les interactions entre le fluide et la structure du tissue artériel fournissent des données très précises. Néanmoins, ils nécessitent un coût, à la fois numérique et paramétrique, trop important pour être utilisés dans de grands réseaux vasculaires. Les modèles dits réduits permettent, eux, de déterminer les champs de pression et vitesse avec un coût de calcul faible et à des emplacements du réseau artériel inaccessible aux techniques de visualisation ou aux méthodes de mesure classiques. Cette thèse se concentre donc sur ces modèles réduits et nous dérivons une hiérarchie de modèles, du plus simple au plus complexe, que nous appliquons pour étudier différentes pathologies comme par exemple les sténoses vasculaires ou encore l'hypertension pulmonaire.

The development of new uses, driven by energy transition requirements, mainly on low-voltage (LV) networks, requires the development of more innovative tools for network management and planning. The development of these new tools requires a very good knowledge of the actual state and parameters of LV networks. The work of this thesis focuses on the development of state (SE) and parameter (PE) estimation algorithms dedicated to LV networks.To carry out the development of these algorithms, we have improved the characterization and modelling of LV cables by taking into account the impact of external parameters on the impedance matrix and the voltage profile. This model uses the 4×4 impedance matrix and takes into account the earthing resistances. This study will serve as a building block for both algorithms.The SE algorithm is based on the WLS algorithm and the augmented matrix method. For its development, we have adapted its quantities by taking into account the particularities of LV networks. This algorithm allows to obtain an increased accuracy of the network voltage profile (including the neutral to earth voltage) and gives accurate results even in case of errors or suppressed measurements. The algorithm will improve the operation of LV networks. The PE algorithm, which is based on the augmented vector algorithm, estimates both the lengths of the links and also directly the external conditions (conductor temperature). Thus, this algorithm corrects the data present in geographical information systems and gives a perfect knowledge of the network topology. The planning and operation of LV networks will be easier even with the development of new uses.; Le développement des nouveaux usages, poussé par des exigences de transition énergétique, principalement sur les réseaux basse tension (BT) nécessite de développer des outils toujours plus innovants de conduite et de planification des réseaux. Le développement de ces nouveaux outils nécessite une très bonne connaissance de l’état et des paramètres réels des réseaux BT. Les travaux de cette thèse se focalisent donc sur le développement d’algorithmes d’estimation d’état (EE) et de paramètres (EP) dédiés aux réseaux BT.Pour mener à bien le développement de ces algorithmes, nous avons amélioré la caractérisation et la modélisation des câbles BT en prenant en compte l’impact des paramètres extérieurs sur la matrice d’impédance et sur le plan de tension. Ce modèle utilise la matrice d’impédance 4×4 et prend en compte les résistances de mise à la terre. Cette étude servira de brique de base pour les deux algorithmes.L’algorithme d’EE s’appuie sur l’algorithme des WLS et de la méthode de la matrice augmentée. Pour son développement, nous avons adapté ses grandeurs pour qu’elles prennent en compte les particularités des réseaux BT. Cet algorithme permet d’obtenir une précision accrue du plan de tension (incluant la tension neutre-terre) du réseau et donne de résultats précis même en cas d’erreurs ou de suppressions de mesure. L’algorithme va permettre d’améliorer la conduite des réseaux BT. L’algorithme d’EP, qui s’appuie sur l’algorithme du vecteur augmenté, permet d’estimer à la fois les longueurs des liaisons mais aussi directement les conditions extérieures (température du conducteur). Cet algorithme permet ainsi de corriger les données présentes dans les systèmes d’information géographique et de parfaitement connaître la topologie du réseau. Ainsi, la planification et la conduite des réseaux BT seront plus aisées même avec le développement des nouveaux usages.

In this doctoral thesis several scale-free texture segmentation procedures based on two fractal attributes, the Hölder exponent, measuring the local regularity of a texture, and local variance, are proposed.A piecewise homogeneous fractal texture model is built, along with a synthesis procedure, providing images composed of the aggregation of fractal texture patches with known attributes and segmentation. This synthesis procedure is used to evaluate the proposed methods performance.A first method, based on the Total Variation regularization of a noisy estimate of local regularity, is illustrated and refined thanks to a post-processing step consisting in an iterative thresholding and resulting in a segmentation.After evidencing the limitations of this first approach, deux segmentation methods, with either "free" or "co-located" contours, are built, taking in account jointly the local regularity and the local variance.These two procedures are formulated as convex nonsmooth functional minimization problems.We show that the two functionals, with "free" and "co-located" penalizations, are both strongly-convex. and compute their respective strong convexity moduli.Several minimization schemes are derived, and their convergence speed are compared.The segmentation performance of the different methods are evaluated over a large amount of synthetic data in configurations of increasing difficulty, as well as on real world images, and compared to state-of-the-art procedures, including convolutional neural networks.An application for the segmentation of multiphasic flow through a porous medium experiment images is presented.Finally, a strategy for automated selection of the hyperparameters of the "free" and "co-located" functionals is built, inspired from the SURE estimator of the quadratic risk.; Cette thèse propose plusieurs procédures pour la segmentation de textures auto-similaires s'appuyant sur deux attributs fractals : l'exposant de Hölder, quantifiant la régularité locale d'une texture, et la variance locale. Un modèle de textures fractales homogènes par morceaux est construit, accompagné d'une procédure de synthèse, fournissant des images composées d'un assemblage de textures fractales d'attributs fixés et de segmentation connue, utilisées pour évaluer les performances des méthodes proposées.Une première méthode, reposant sur la régularisation par Variation Totale d'une estimée brute de la régularité locale, est illustrée, et augmentée d'une étape de post-traitement par seuillage itératif fournissant ainsi une segmentation. Après avoir pointé les limites de cette approche, deux méthodes de segmentation, à contours « libres » ou « co-localisés », sont construites, prenant conjointement en compte la régularité et la variance locales.Ces deux procédures sont formulés comme des problèmes de minimisation de fonctionnelles convexes non lisses.Nous montrons que les fonctionnelles à pénalisations « libre » et « co-localisée » sont toutes deux fortement convexes, et calculons leur module de forte-convexité.Plusieurs schémas de minimisation sont dérivés, et leurs vitesses de convergence sont comparées.Les performances de segmentation des différentes méthodes sont quantifiées sur un large panel de données synthétiques, dans des configurations de difficulté croissante, ainsi que sur des images réelles et comparées aux méthodes de l’état-de-l'art, tels que les réseaux de neurones convolutionnels.Une application à la segmentation d'images provenant d'expériences sur les écoulements multiphasiques en milieu poreux est présentée.Une stratégie, dérivée de l'estimateur SURE de l'erreur quadratique, est mise en oeuvre pour le réglage automatique des hyperparamètres impliqués dans la construction des fonctionnelles à pénalisations « libre » et « co-localisée ».

Over the years, maintenance has been gaining attention in many different fields. Failures of systems can result in as small as the loss of production or as large as a major accident. Consequently, instead of focusing on reactive maintenance, which aims to restore a system after an unexpected failure, people are more interested in preventive and predictive maintenances that could prepare us for the failure or avoid a catastrophic scenario. To make a cost-effective maintenance plan, one must decide what the appropriate maintenance actions are, and when to implement them? A profound understanding of the system's failure mechanism is necessary to answer these questions. Numerous mathematical models have been proposed to depict the failure/repair process that undergoes imperfect repairs. The thesis is completed in this context. On the one hand, we investigate the application field of imperfect repair models while examining the consequences of inappropriate model fitting. On the other hand, new models, which we believe are more realistic, are established. The mathematical properties are thoroughly studied, and statistical inference is addressed. The theoretical developments are accompanied by several case studies, based on not only simulated data but also data collected from the Norwegian railway network. We intend to highlight the value of imperfect repair models in evaluating the reliability of systems, assessing the effectiveness of repairs, and optimizing maintenance plans. We hope that this work would be helpful and inspiring for relevant practitioners and researchers.; Au fil des ans, la maintenance a attiré l'attention dans de nombreux domaine. Les défaillances des systèmes peuvent entraîner des pertes de la production ou des accidents majeurs. Par conséquent, au lieu de se concentrer sur la maintenance réactive, qui vise à restaurer un système après une panne inattendue, les gens sont plus intéressés par les maintenances préventives et prédictives qui pourraient nous préparer à la panne ou éviter un scénario catastrophique. Pour faire un plan de maintenance rentable, il faut décider quelles sont les actions de maintenance appropriées et quand les mettre en œuvre. Une compréhension approfondie du mécanisme de défaillance du système est donc nécessaire. De nombreux modèles mathématiques ont été proposés pour illustrer le processus de défaillance/réparation qui subit des réparations imparfaites. Dans ce contexte, nous étudions le domaine d'application des modèles de réparation imparfaits tout en examinant les conséquences d'un ajustement de modèle inapproprié, et proposons de nouveaux modèles que nous pensons plus réalistes. Les propriétés mathématiques sont étudiées et l'inférence statistique est abordée. Les développements théoriques sont accompagnés de plusieurs études de cas, basées sur des données collectées du réseau ferroviaire norvégien. Nous avons l'intention de souligner la valeur des modèles de réparation imparfaits pour évaluer la fiabilité des systèmes, évaluer l'efficacité des réparations et optimiser les plans de maintenance. Nous espérons que ce travail sera utile et inspirant pour les praticiens et chercheurs concernés.

International audience; Active research is ongoing to improve the design of different patterns of aircrafts including innovative devices of noise reduction often assessed during experiments conducted with scaled models in wind tunnels or in situ with real aircrafts. Source localization methods play a fundamental role to identify the source locations which are at the origin of the annoyance. Another topic for these experiments is the establishment of theoretical models, requiring a fine picture of the Power Spectral Densities (PSDs) of the main sound sources. The topic is to extract the PSDs of the primary source signals from, the PSDs of the measured mixtures. Blind signal separation techniques seem to be suited for this problem. Among the numerous existing methods, the Bayesian separation approach has the advantage of incorporating relevant information about the PSDs of the sources, and the mixing systems to help the separation process. This approach is enforced to the separation of the PSDs of primary source signals recorded by an array of microphones during tests performed in an anechoic chamber with tonal, narrow-band and broadband acoustic sources. The Signal-to-Distortion Ratio (SDR) allows to show that the separation results are better when sparsity priors are used to describe the source PSDs rather than Gaussian ones for all the scenarios of mixtures considered in the article. We demonstrate that the SRD decreases in a similar manner as the measure of the sparseness of the PSDs of the acoustic sources.; Des recherches actives sont en cours pour améliorer la conception de différents modèles d’avions, y compris des dispositifs innovants de réduction du bruit souvent évalués lors d’expériences menées avec des modèles réduits en soufflerie ou in situ sur avions à l’échelle un. Les méthodes de localisation de source jouent un rôle fondamental pour identifier les emplacements de source qui sont à l’origine de la gêne acoustique. Un autre objectif de ces expériences est la mise en place de modèles théoriques, nécessitant une image fine des densités spectrales de puissance (PSD) des principales sources sonores. L’objectif suivi est d’extraire les PSDs des signaux de source primaire à partir des PSDs des mélanges mesurés. Les techniques de séparation des signaux aveugles semblent convenir pour résoudre ce problème. Parmi les nombreuses méthodes existantes, l’approche de séparation bayésienne a l’avantage d’incorporer des informations pertinentes sur les PSDs des sources et les systèmes de mélange pour faciliter le processus de séparation. Cette approche est appliquée à la séparation des PSDs des signaux de source primaire enregistrés par un réseau de microphones lors de tests effectués dans une chambre anéchoïque avec des sources acoustiques tonales, à bande étroite et à large bande. Le rapport signal / distorsion (SDR) permet de montrer que les résultats de séparation sont meilleurs lorsqu’un a priori parcimonieux est utilisé pour décrire les PSDs de source plutôt qu’un a priori gaussien pour tous les scénarios de mélanges considérés dans l’article. Nous démontrons que le SRD diminue de manière similaire à la mesure du taux de parcimonie des PSDs des sources acoustiques.

While drilling an oil well, unwanted influx of fluids from the reservoir may occur. This manuscript studies the dynamics of the resulting fluid flow in the wellbore and the reservoir, during managed pressure drilling (MPD) operations. We study the phenomena using first-principle approach that leads to a modified two phase flow model called the drift-flux model (DFM). The model takes the form of a hyperbolic system of transport equations, whereas the reservoir pressure dynamics is given by a parabolic diffusion equation. We propose appropriate numerical schemes for both. Then, we propose different observer designs to estimate the influx from the reservoir into the wellbore. The observers for the coupled wellbore-reservoir system take different forms, as we combine the distributed and the reduced order models for each system. We propose to use the choke pressure as a measurement that is typically available on a MPD operational site, i.e. topside sensing. However, availability of the bottom hole pressure modifies the observer design, in ways we detail. We show convergence of the observers to the true values of reservoir pore pressure and influx, in each case.; Lors du forage d’un puits de pétrole, il est courant de subir un influx non désiré de fluides provenant du réservoir. Ce manuscrit porte sur l’étude de la dynamique de l’écoulement en résultant dans le réservoir et le puis, pendant les opérations de forage à pression contrôlée (MPD en anglais). La modélisation repose sur des équations de conservation, qui débouchent sur un modèle d’écoulement biphasique appelé modèle à dérive de flux. Celui-ci prend la forme d’un système hyperbolique d’équations de transport, alors que l’évolution de la pression dans le réservoir suit une dynamique gouvernée par une équation parabolique de diffusion. Nous proposons des schémas numériques permettant d’approcher les solutions de ces deux systèmes dynamiques. Nous synthétisons ensuite des observateurs permettant d’estimer le débit entrant depuis le réservoir. Ces observateurs du système couplé puits-réservoir prennent des formes différentes selon que le caractère distribué de chacune des dynamiques (puits ou réservoir) est négligé ou non. Nos estimateurs reposent sur la mesure de la pression en tête de puits, où un capteur est systématiquement installé dans les opérations de forage à pression contrôlée. L’existence d’un capteur de pression installé au fond du puits, plus rare, modifie la synthèse d’observateurs, d’une manière que nous détaillons. Pour chaque observateur, nous montrons la convergence des estimations de pression et de débit distribués vers leurs valeurs théoriques.

The development of new uses, driven by energy transition requirements, mainly on low-voltage (LV) networks, requires the development of more innovative tools for network management and planning. The development of these new tools requires a very good knowledge of the actual state and parameters of LV networks. The work of this thesis focuses on the development of state (SE) and parameter (PE) estimation algorithms dedicated to LV networks.To carry out the development of these algorithms, we have improved the characterization and modelling of LV cables by taking into account the impact of external parameters on the impedance matrix and the voltage profile. This model uses the 4×4 impedance matrix and takes into account the earthing resistances. This study will serve as a building block for both algorithms.The SE algorithm is based on the WLS algorithm and the augmented matrix method. For its development, we have adapted its quantities by taking into account the particularities of LV networks. This algorithm allows to obtain an increased accuracy of the network voltage profile (including the neutral to earth voltage) and gives accurate results even in case of errors or suppressed measurements. The algorithm will improve the operation of LV networks. The PE algorithm, which is based on the augmented vector algorithm, estimates both the lengths of the links and also directly the external conditions (conductor temperature). Thus, this algorithm corrects the data present in geographical information systems and gives a perfect knowledge of the network topology. The planning and operation of LV networks will be easier even with the development of new uses., Le développement des nouveaux usages, poussé par des exigences de transition énergétique, principalement sur les réseaux basse tension (BT) nécessite de développer des outils toujours plus innovants de conduite et de planification des réseaux. Le développement de ces nouveaux outils nécessite une très bonne connaissance de l’état et des paramètres réels des réseaux BT. Les travaux de cette thèse se focalisent donc sur le développement d’algorithmes d’estimation d’état (EE) et de paramètres (EP) dédiés aux réseaux BT.Pour mener à bien le développement de ces algorithmes, nous avons amélioré la caractérisation et la modélisation des câbles BT en prenant en compte l’impact des paramètres extérieurs sur la matrice d’impédance et sur le plan de tension. Ce modèle utilise la matrice d’impédance 4×4 et prend en compte les résistances de mise à la terre. Cette étude servira de brique de base pour les deux algorithmes.L’algorithme d’EE s’appuie sur l’algorithme des WLS et de la méthode de la matrice augmentée. Pour son développement, nous avons adapté ses grandeurs pour qu’elles prennent en compte les particularités des réseaux BT. Cet algorithme permet d’obtenir une précision accrue du plan de tension (incluant la tension neutre-terre) du réseau et donne de résultats précis même en cas d’erreurs ou de suppressions de mesure. L’algorithme va permettre d’améliorer la conduite des réseaux BT. L’algorithme d’EP, qui s’appuie sur l’algorithme du vecteur augmenté, permet d’estimer à la fois les longueurs des liaisons mais aussi directement les conditions extérieures (température du conducteur). Cet algorithme permet ainsi de corriger les données présentes dans les systèmes d’information géographique et de parfaitement connaître la topologie du réseau. Ainsi, la planification et la conduite des réseaux BT seront plus aisées même avec le développement des nouveaux usages.

Les valeurs extrêmes des variables hydroclimatiques présentent un intérêt tout particulier lorsqu’on parle en termes de risque. L'estimation de la récurrence de pluies extrêmes fournit des éléments indispensables pour la construction d'infrastructures telles que les digues, les ouvrages d'assainissement, etc., afin de protéger efficacement la population et leurs biens. Cet article a pour objectif de trouver une loi théorique qui peut montrer une bonne représentation de la fonction de distribution des pluies journalières maximales annuelles pour la prévention des risques liés aux inondations dans le district d’Abidjan au sud de la Côte d’Ivoire. Les données utilisées couvrent la période allant de 1961 à 2014. Des lois de distribution employées dans la conception des ouvrages hydrauliques ont ainsi été retenues dans cette analyse : la loi de Weibull, la loi de Gumbel et la loi log-normale. Elles ont été ajustées aux pluies journalières maximales annuelles et les paramètres ont été estimés de manière spécifique. Les fréquences empiriques ont été calculées à partir de la relation de Hazen. Les paramètres des différentes lois ont été déterminés par la méthode des moments pondérés. L’ajustement a été apprécié à partir de représentation graphique et du test du χ2. Deux critères (critère d’Akaike et critère bayésien) ont été retenus pour trancher sur le choix des meilleurs modèles. Les différentes lois ont montré en général une bonne adéquation à la série des pluies journalières maximales annuelles de la station de Port-Bouët (Abidjan). Cependant, la loi qui ajuste le mieux les pluies journalières maximales annuelles de la station de Port-Bouët (Abidjan) est la loi de Gumbel. Il est donc recommandé de travailler avec la distribution de Gumbel dans toute étude de dimensionnement d’ouvrages hydrauliques en général et dans le domaine des ouvrages d’évacuation des eaux pluviales en particulier dans le district d’Abidjan., The extreme values of hydroclimatic variables are of particular interest when speaking in terms of risk. The estimation of the recurrence of extreme rainfall provides essential elements for the construction of infrastructures such as dykes, sewage works, etc., in order to effectively protect the population and their property. The aim of this article is to find a theoretical law that can show a good representation of the distribution function of the annual maximum daily rainfall for the prevention of flood risks in the Abidjan district in the south of Ivory Coast. The data used cover the period from 1961 to 2014. Distribution laws used in the design of hydraulic structures have been retained in this analysis: the law of Weibull, the law of Gumbel and the lognormal law. They were adjusted to the maximum annual rainfall and the parameters were estimated in a specific way. The empirical frequencies were calculated from the Hazen relation. The parameters of the different laws were determined by the weighted moment method. Adjustment was assessed using graphic representation and χ2 test. Two criteria (Akaike criterion and Bayesian criterion) were used to select the best model. The different laws generally showed a good fit with the series of annual maximum daily rains of the Port-Bouët station (Abidjan). However, the law that best adjusted the annual maximum daily rainfall of the Port-Bouët station (Abidjan) was the law of Gumbel. It is therefore recommended to work with the distribution of Gumbel in any design study of hydraulic structures in general and in the field of storm drainage works especially in the district of Abidjan.

International audience; This article explores the possibility to determine thermokinetic parameters with a calorimetric method using a reaction calorimeter RC1–RTCal. This method was illustrated with a radical solution polymerization. In opposition to classical polymerization kinetic studies (PLP, DSC), operating conditions are near industrial processes and kinetic parameters are estimated up to high reaction extent. The method consists in comparing thermal power profiles measured during experiments with profiles calculated by means of a model. A minimization method based on a geneticalgorithm estimates individual kinetic parameters of the three steps of the model (initiation, propagation, termination). Kinetic parameters values are compared to literature.; Cet article explore la possibilité de déterminer les paramètres thermocinétiques par une méthode calorimétrique à l’aide d’un calorimètre de réaction RC1 – RTCal. Cette méthode a été illustrée par une polymérisation radicalaire en solution. Contrairement aux études cinétiques de polymérisation classiques (PLP, DSC), les conditions de fonctionnement sont proches des processus industriels et les paramètres cinétiques sont estimés jusqu’à un avancement de réaction élevé. La méthode consiste à comparer les profils de puissance thermique mesurés lors d’expériences avec des profils calculés à l’aide d’un modèle. Une méthode de minimisation basée sur un algorithme génétique estime les paramètres cinétiques individuels des trois étapes du modèle (initiation, propagation, terminaison). Les valeurs des paramètres cinétiques sont comparées à la littérature.

Forecasting and assessing the risk of heat waves is a crucial public policy stake. Evaluate the probability of heat waves and their severity can be possible by knowing the temperature in continuous time. However, daily extremes (maxima and minima) might be the only available data. The Ornstein-Uhlenbeck process is commonly used to model temperature dynamic. An estimation of the process parameters using only daily observed suprema of temperatures is proposed here. This new approach is based on a least square minimization using the cumulative distribution function of the supremum. Risk measures related to heat waves are then obtained numerically. In order to calculate explicitly those risk measures, it can be useful to have the joint law of the Ornstein-Uhlenbeck process and its supremum. The study is _rst limited to the joint density / distribution of the endpoint and supremum of the Ornstein-Uhlenbeck process. This probability admits a density, solution of the Fokker-Planck equation and explicitly obtained as an expansion involving parabolic cylinder functions. The proof of the density expression relies on a decomposition on a Hilbert basis of the space via a spectral method. We also study the oscillating Ornstein-Uhlenbeck process, which drift parameter is piecewise constant depending on the sign of the process. The Laplace transform of this process hitting time is determined and we also calculate the probability for the process to be positive on a fixed time.; Prévoir et estimer le risque de canicule est un enjeu politique majeur. Évaluer la probabilité d'apparition des canicules et leurs sévérités serait possible en connaissant la température en temps continu. Cependant, les extrêmes journaliers (maxima et minima) sont parfois les seules données disponibles. Pour modéliser la dynamique des températures, il est courant d'utiliser un processus d'Ornstein-Uhlenbeck. Une estimation des paramètres de ce processus n'utilisant que les suprema journaliers observés est proposée. Cette nouvelle approche se base sur une minimisation des moindres carrés faisant intervenir la fonction de répartition du supremum. Les mesures de risque liées aux canicules sont ensuite obtenues numériquement. Pour exprimer explicitement ces mesures de risque, il peut être utile d'avoir la loi jointe du processus d'Ornstein-Uhlenbeck et de son supremum. L'étude se limite tout d'abord à la fonction de répartition / densité jointe du point final du processus et de son supremum. Cette probabilité admet une densité, solution de l'équation de Fokker-Planck, obtenue explicitement et utilisant les fonctions spéciales paraboliques cylindriques. La preuve de l'expression de la densité repose sur une décomposition sur une base hilbertienne de l'espace via une méthode spectrale. On étudie également le processus d'Ornstein-Uhlenbeck oscillant, dont le paramètre de drift est constant par morceaux selon le signe du processus. La transformée de Laplace du temps d'atteinte de ce processus est déterminée et la probabilité que le processus soit positif en un temps donné est calculée.

International audience

Forecasting and assessing the risk of heat waves is a crucial public policy stake. Evaluate the probability of heat waves and their severity can be possible by knowing the temperature in continuous time. However, daily extremes (maxima and minima) might be the only available data. The Ornstein-Uhlenbeck process is commonly used to model temperature dynamic. An estimation of the process parameters using only daily observed suprema of temperatures is proposed here. This new approach is based on a least square minimization using the cumulative distribution function of the supremum. Risk measures related to heat waves are then obtained numerically. In order to calculate explicitly those risk measures, it can be useful to have the joint law of the Ornstein-Uhlenbeck process and its supremum. The study is _rst limited to the joint density / distribution of the endpoint and supremum of the Ornstein-Uhlenbeck process. This probability admits a density, solution of the Fokker-Planck equation and explicitly obtained as an expansion involving parabolic cylinder functions. The proof of the density expression relies on a decomposition on a Hilbert basis of the space via a spectral method. We also study the oscillating Ornstein-Uhlenbeck process, which drift parameter is piecewise constant depending on the sign of the process. The Laplace transform of this process hitting time is determined and we also calculate the probability for the process to be positive on a fixed time., Prévoir et estimer le risque de canicule est un enjeu politique majeur. Évaluer la probabilité d'apparition des canicules et leurs sévérités serait possible en connaissant la température en temps continu. Cependant, les extrêmes journaliers (maxima et minima) sont parfois les seules données disponibles. Pour modéliser la dynamique des températures, il est courant d'utiliser un processus d'Ornstein-Uhlenbeck. Une estimation des paramètres de ce processus n'utilisant que les suprema journaliers observés est proposée. Cette nouvelle approche se base sur une minimisation des moindres carrés faisant intervenir la fonction de répartition du supremum. Les mesures de risque liées aux canicules sont ensuite obtenues numériquement. Pour exprimer explicitement ces mesures de risque, il peut être utile d'avoir la loi jointe du processus d'Ornstein-Uhlenbeck et de son supremum. L'étude se limite tout d'abord à la fonction de répartition / densité jointe du point final du processus et de son supremum. Cette probabilité admet une densité, solution de l'équation de Fokker-Planck, obtenue explicitement et utilisant les fonctions spéciales paraboliques cylindriques. La preuve de l'expression de la densité repose sur une décomposition sur une base hilbertienne de l'espace via une méthode spectrale. On étudie également le processus d'Ornstein-Uhlenbeck oscillant, dont le paramètre de drift est constant par morceaux selon le signe du processus. La transformée de Laplace du temps d'atteinte de ce processus est déterminée et la probabilité que le processus soit positif en un temps donné est calculée.

This thesis deals with the study of estimators' performance in signal processing. The focus is the analysis of the lower bounds on the Mean Square Error (MSE) for abrupt change-point estimation. Such tools will help to characterize performance of maximum likelihood estimator in the frequentist context but also maximum a posteriori and conditional mean estimators in the Bayesian context. The main difficulty comes from the fact that, when dealing with sampled signals, the parameters of interest (i.e., the change points) lie on a discrete space. Consequently, the classical large sample theory results (e.g., asymptotic normality of the maximum likelihood estimator) or the Cramér-Rao bound do not apply. Some results concerning the asymptotic distribution of the maximum likelihood only are available in the mathematics literature but are currently of limited interest for practical signal processing problems. When the MSE of estimators is chosen as performance criterion, an important amount of work has been provided concerning lower bounds on the MSE in the last years. Then, several studies have proposed new inequalities leading to tighter lower bounds in comparison with the Cramér-Rao bound. These new lower bounds have less regularity conditions and are able to handle estimators’ MSE behavior in both asymptotic and non-asymptotic areas. The goal of this thesis is to complete previous results on lower bounds in the asymptotic area (i.e. when the number of samples and/or the signal-to-noise ratio is high) for change-point estimation but, also, to provide an analysis in the non-asymptotic region. The tools used here will be the lower bounds of the Weiss-Weinstein family which are already known in signal processing to outperform the Cramér-Rao bound for applications such as spectral analysis or array processing. A closed-form expression of this family is provided for a single and multiple change points and some extensions are given when the parameters of the distributions on each segment are unknown. An analysis in terms of robustness with respect to the prior influence on our models is also provided. Finally, we apply our results to specific problems such as: Gaussian data, Poisson data and exponentially distributed data.; Cette thèse porte sur l'étude des performances d'estimateurs en traitement du signal, et s'attache en particulier à étudier les bornes inférieures de l'erreur quadratique moyenne (EQM) pour l'estimation de points de rupture, afin de caractériser le comportement d'estimateurs, tels que celui du maximum de vraisemblance (dans le contexte fréquentiste), mais surtout du maximum a posteriori ou de la moyenne conditionnelle (dans le contexte bayésien). La difficulté majeure provient du fait que, pour un signal échantillonné, les paramètres d'intérêt (à savoir les points de rupture) appartiennent à un espace discret. En conséquence, les résultats asymptotiques classiques (comme la normalité asymptotique du maximum de vraisemblance) ou la borne de Cramér-Rao ne s'appliquent plus. Quelques résultats sur la distribution asymptotique du maximum de vraisemblance provenant de la communauté mathématique sont actuellement disponibles, mais leur applicabilité à des problèmes pratiques de traitement du signal n'est pas immédiate. Si l'on décide de concentrer nos efforts sur l'EQM des estimateurs comme indicateur de performance, un travail important autour des bornes inférieures de l'EQM a été réalisé ces dernières années. Plusieurs études ont ainsi permis de proposer des inégalités plus précises que la borne de Cramér-Rao. Ces dernières jouissent en outre de conditions de régularité plus faibles, et ce, même en régime non asymptotique, permettant ainsi de délimiter la plage de fonctionnement optimal des estimateurs. Le but de cette thèse est, d'une part, de compléter la caractérisation de la zone asymptotique (en particulier lorsque le rapport signal sur bruit est élevé et/ou pour un nombre d'observations infini) dans un contexte d'estimation de points de rupture. D'autre part, le but est de donner les limites fondamentales de l'EQM d'un estimateur dans la plage non asymptotique. Les outils utilisés ici sont les bornes inférieures de l’EQM de la famille Weiss-Weinstein qui est déjà connue pour être plus précise que la borne de Cramér-Rao dans les contextes, entre autres, de l’analyse spectrale et du traitement d’antenne. Nous fournissons une forme compacte de cette famille dans le cas d’un seul et de plusieurs points de ruptures puis, nous étendons notre analyse aux cas où les paramètres des distributions sont inconnus. Nous fournissons également une analyse de la robustesse de cette famille vis-à-vis des lois a priori utilisées dans nos modèles. Enfin, nous appliquons ces bornes à plusieurs problèmes pratiques : données gaussiennes, poissonniennes et processus exponentiels.

Visual inspection of finished products has always been one of the basic and most recognized applications of quality control in any industry. This inspection remains largely a manual process conducted by operators, and thus faces considerable limitations that make it unreliable. Therefore, it is necessary to automatize this inspection for better efficiency. The main goal of this thesis is to design an automatic visual inspection system for surface inspection and monitoring. The specific application of wheel inspection is considered to study the design and installation setup of the imaging system. Then, two inspection methods are developed: a defect detection method on product surface and a change-point detection method in the parameters of the non-stationary inspection process. Because in an industrial context it is necessary to control the false alarm rate, the two proposed methods are cast into the framework of hypothesis testing theory. A parametric approach is proposed to model the non-anomalous part of the observations. The model parameters are estimated to design a statistical test whose performances are analytically known. Finally, the impact of illumination degradation on the defect detection performance is studied in order to predict the maintenance needs of the imaging system. Numerical results on a large set of real images highlight the relevance of the proposed approach.; L'inspection visuelle des produits industriels a toujours été l'une des applications les plus reconnues du contrôle de qualité. Cette inspection reste en grande partie un processus manuel mené par des opérateurs et ceci rend l'opération peu fiable.Par conséquent, il est nécessaire d'automatiser cette inspection pour une meilleure efficacité. L'objectif principal de cette thèse est de concevoir un système d'inspection visuelle automatique pour l'inspection et la surveillance de la surface du produit.L'application spécifique de l'inspection de roues est considérée pour étudier la conception et l'installation du système d'imagerie. Ensuite, deux méthodes d'inspection sont développées: une méthode de détection des défauts à la surface du produit et une méthode de détection d'un changement brusque dans les paramètres du processus d'inspection non stationnaire. Parce que dans un contexte industriel, il est nécessaire de contrôler le taux de fausses alarmes, les deux méthodes proposées s'inscrivent dans le cadre de la théorie de la décision statistique. Un modèle paramétrique des observations est développé.Les paramètres du modèle sont estimés afin de concevoir un test statistique dont les performances sont analytiquement connues. Enfin, l'impact de la dégradation de l'éclairage sur la performance de détection des défauts est étudié afin de prédire les besoins de maintenance du système d'imagerie. Des résultats numériques sur un grand nombre d'images réelles mettent en évidence la pertinence de l'approche proposée.

National audience; Les modèles mécanistes sont puissants pour une meilleure compréhension des pathosystèmes, tant à l'échelle de l'hôte, de la population, que de la métapopulation. Ils permettent d’appréhender les déterminants de la propagation des pathogènes, d'explorer des hypothèses biologiques, et d'optimiser des scénarios de maîtrise. Cependant, si les paramètres d'un modèle ne sont pas calibrés correctement, la capacité prédictive du modèle est fortement réduite. Il est donc nécessaire de mobiliser toute l'information disponible, souvent fortement hétérogène et éparse (données, avis d'experts...) afin d’accroître la fiabilité et la robustesse des prédictions réalisées. Pour cela, des approches modernes d’inférence peuvent être utilisées, en les adaptant à nos problématiques d’épidémiologie animale, pour produire de nouvelles connaissances sur les pathosystèmes étudiés. La paratuberculose est une maladie enzootique d'importance économique mondiale dont le dépistage sur le terrain est difficile (longue incubation et faible sensibilité des tests diagnostic). La représentation d'un tel pathosystème conduit à un modèle épidémiologique de grande taille. De plus, comme souvent pour de tels systèmes, les processus sous-jacents à la propagation spatiotemporelle du pathogène sont partiellement observés et les données disponibles incomplètes, rendant impossible l’utilisation de méthodes d'inférence classiques. Notre objectif est d’estimer pour cette maladie la proportion de troupeaux infectés, la distribution de la prévalence intra-troupeau, la probabilité d'acheter un animal infecté dans des troupeaux non suivis, le taux de transmission locale, et la sensibilité moyenne du test. Pour cela, nous avons mobilisé des données longitudinales collectées en Bretagne (2005-2013), et mis en oeuvre une méthode d’inférence originale et pertinente pour ces données. Nous avons utilisé un modèle stochastique mécaniste de la propagation du pathogène entre troupeaux via les mouvements commerciaux de bovins, en utilisant les données exhaustives de détention de bovins pour 12 857 troupeaux laitiers et des données partielles sur le statut infectieux des animaux. Après validation de la méthode, les estimations indiquent que plus de 80% des troupeaux sont infectés avec une faible prévalence (

Personalised cardiac modeling consists in creating virtual 3D simulations of real clinical cases to help clinicians predict the behaviour of the heart, or better understand some pathologies from the estimated values of biophysical parameters. In this work we first motivate the need for a consistent parameter estimation framework, from a case study were uncertainty in myocardial fibre orientation leads to an uncertainty in estimated parameters which is extremely large compared to their physiological variability. To build a consistent approach to parameter estimation, we then tackle the computational complexity of 3D models. We introduce an original multiscale 0D/3D approach for cardiac models, based on a multiscale coupling to approximate outputs of a 3D model with a reduced "0D" version of the same model. Then we derive from this coupling an efficient multifidelity optimisation algorithm for the 3D model. In a second step, we build more than 140 personalised 3D simulations, in the context of two studies involving the longitudinal analysis of the cardiac function: on one hand the analysis of long-term evolution of cardiomyopathies under therapy, on the other hand the modeling of short-term cardiovascular changes during digestion. Finally we present an algorithm to automatically detect and select observable directions in the parameter space from a set of measurements, and compute consistent population-based priors probabilities in these directions, which can be used to constrain parameter estimation for cases where measurements are missing. This enables consistent parameter estimations in a large databases of 811 cases with the 0D model, and 137 cases of the 3D model., La modélisation cardiaque personnalisée consiste à créer des simulations 3D virtuelles de cas cliniques réels pour aider les cliniciens à prédire le comportement du cœur ou à mieux comprendre certaines pathologies. Dans cette thèse nous illustrons d'abord la nécessité d'une approche robuste d'estimation des paramètres, dans un cas ou l'incertitude dans l'orientation des fibres myocardiques entraîne une incertitude dans les paramètres estimés qui est très large par rapport à leur variabilité physiologique. Nous présentons ensuite une approche originale multi-échelle 0D/3D pour réduire le temps de calcul, basée sur un couplage multi-échelle entre les simulations du modèle 3D et d'une version "0D" réduite de ce modèle. Ensuite, nous dérivons un algorithme rapide de personnalisation multi-échelle pour le modèle 3D. Dans un deuxième temps, nous construisons plus de 140 simulations 3D personnalisées, dans le cadre de deux études impliquant l'analyse longitudinale de la fonction cardiaque : d'une part, l'analyse de l'évolution de cardiomyopathies à long terme, d'autre part la modélisation des changements cardiovasculaires pendant la digestion. Enfin, nous présentons un algorithme pour sélectionner automatiquement des directions observables dans l'espace des paramètres à partir d'un ensemble de mesures, et calculer des probabilités "a priori" cohérentes dans ces directions à partir des valeurs de paramètres dans la population. Cela permet en particulier de contraindre l'estimation de paramètres dans les cas où des mesures sont manquantes. Au final nous présentons des estimations cohérentes de paramètres dans une base de données de 811 cas avec le modèle 0D et 137 cas du modèle 3D.

Dans cette thèse, nous développons des modèles et des méthodes statistiques pour le traitement d’images de microscopie confocale de la peau dans le but de détecter une maladie de la peau appelée lentigo. Une première contribution consiste à proposer un modèle statistique paramétrique pour représenter la texture dans le domaine des ondelettes. Plus précisément, il s’agit d’une distribution gaussienne généralisée dont on montre que le paramètre d’échelle est caractéristique des tissus sousjacents. La modélisation des données dans le domaine de l’image est un autre sujet traité dans cette thèse. A cette fin, une distribution gamma généralisée est proposée. Notre deuxième contribution consiste alors à développer un estimateur efficace des paramètres de cette loi à l’aide d’une descente de gradient naturel. Finalement, un modèle d’observation de bruit multiplicatif est établi pour expliquer la distribution gamma généralisée des données. Des méthodes d’inférence bayésienne paramétrique sont ensuite développées avec ce modèle pour permettre la classification d’images saines et présentant un lentigo. Les algorithmes développés sont appliqués à des images réelles obtenues d’une étude clinique dermatologique.

National audience

Control algorithms are at the heart of the stability and automatic flight capabilities of any aerial vehicle. Synthesis and simulation of control laws are based on a mathematicalmodel of the vehicle, which must be a trade-off between simplicity and accuracy. This work presents a complete system identification methodology applied on a miniature coaxial helicopter. Based on flight mechanics and aerodynamics, several models are built. They differ in the aerodynamic phenomena taken into account. They are identified, compared and validated thanks to flight data, highlighting important phenomena in the accuracy of the model. Several flight control strategies are then studied and evaluated through simulations and experiments with a prototype. The results are in accordance with numerical simulations, thus validating the whole approach., La stabilisation et l’automatisation du vol de tout véhicule aérien nécessite la mise en oeuvre d’algorithmes de commande. La synthèse et la simulation des lois de commande reposent sur un modèle mathématique du véhicule, qui doit être de complexité et de précision appropriées. Cette thèse présente une méthodologie complète d’identification appliquée à un hélicoptère coaxialminiature. L’étude théorique de son comportement en vol permet d’établir plusieurs modèles basés sur la mécanique du vol, qui diffèrent par les phénomènes aérodynamiques pris en compte. Ils sont identifiés, comparés et validés grâce à des données de vol, mettant en évidence l’importance de certains phénomènes dans la précision du modèle. Différentes lois de commande sont alors étudiées et évaluées en simulation puis par des expérimentations sur un prototype. Les résultats obtenus sont conformes aux simulations numériques, validant ainsi l’ensemble de la démarche.

This memoire, based on the works done at the ENS de Lyon (2008-2017), is made of two parts.The first one is concerned by several aspects of the numerical simulation of viscoplastic fluids, thanks to duality methods (augmented Lagrangian and Bermúdez-Moreno). On the one hand, works on the design of well - balanced finite volume numerical schemes for prototypes of Shallow Water Bingham models (i.e. integrated in the vertical direction) are described. The 1D case is summarized while the 2D framework, which constitutes an original contribution of this document, is given in more details. In particular, we finish by an illustration of a viscoplastic avalanche in the Taconnaz avalanche path (Chamonix, Mont-Blanc). On the other hand, we give a synthesis on the work on the full 2D incompressible Bingham equations (i.e. not integrated like in the previous case) and its comparison with physical experiments in an expansion-contraction geometry.In the second part, we give an overview of the work done within the INRIA Numed Team, concerning the development of Bayesian methods for the parameters estimation of PDEs based models. More precisely, this work is based on SAEM methods which are intensively used in Medicine and Biology. The computational cost, associated to the numerous evaluations of the PDE model, being prohibitive, we proposed: (i) the implementation of a fixed metamodel (computed offline), based on an autorefined (structured tree) interpolation grid. And (ii) a kriged metamodel which is refined online during the SAEM iterations.; Ce mémoire, basé sur l'activité réalisée à l'ENS de Lyon, est structuré en deux parties.Dans la première, nous traitons de divers aspects de la simulation numérique de fluides viscoplastiques, grâce à des méthodes de dualité (Lagrangien Augmenté et Bermúdez-Moreno). D'une part, les travaux sur le développement de schémas numériques volumes-finis "bien équilibrés" pour des équations de type Saint-Venant Bingham (intégration sur la verticale) sont décrits. Le cas 1D est synthétisé alors que le cadre bidimensionnel, qui constitue une contribution originale de ce document, est présenté plus en détails. En particulier, nous finissons par une illustration d'avalanche viscoplastique dans le couloir de Taconnaz (Massif du Mont-Blanc). D'autre part, nous donnons un résumé du travail de simulation sur les équations de Bingham incompressible 2D complètes (i.e. non intégrées, par opposition au cas précédent) et la comparaison avec des expériences physiques dans une géométrie de type expansion-contraction.Dans la seconde partie, nous donnons un survol des activités réalisées au sein de l'équipe INRIA Numed, concernant le développement de méthodes bayesiennes pour l'estimation de paramètres de modèles à base d'EDP. Plus précisément, ce travail concerne les méthodes SAEM qui sont très utilisées dans le domaine biomédical. Etant donné le coût prohibitif associé aux nombreuses évaluations du modèle EDP, nous avons proposé, d'une part, une implémentation de métamodèle fixe à base de grille d'interpolation autoraffinée (de type structuré arborescent) et, d'autre part, une méthode de métamodèle évolutif (construit par krigeage) se raffinant au cours des itérations du SAEM, elles mêmes.

Major liver resection is being performed to treat liver lesions or for adult-to-adult living donor liver transplantation. Complications of these surgeries are related to a poor liver function. The links between liver hemodynamics, liver volume and liver function remain unclear and are important to better understand these complications. The surgery increases the resistance to blood flow in the organ, therefore it modifies liver hemodynamics. Large modifications of the portal vein hemodynamics have been associated with poor liver regeneration. Moreover the liver receives 25% of the cardiac outflow, therefore liver surgery may impact the whole blood circulation. In this context, the first goal is to investigate with mathematical models the impact of liver surgery on liver hemodynamics. The second goal is to study the liver perfusion and function with mathematical models. The first part describes the experimental conditions and reports the measurements recorded. Then, the second part focuses on the liver hemodynamics during partial hepatectomy. On one hand, the hemodynamics during several surgeries is quantitatively reproduced and explained by a closed-loop model based on ODE. On the other hand, the change of waveforms observed after different levels of liver resection is reproduced with a model of the global circulation, including 0D and 1D equations. This may contribute to a better understanding of the change of liver architecture induced by hepatectomy. Next, the transport in blood of a compound is studied. And a pharmacokinetics model and its parameter identification are developed to quantitatively analyze indocyanine green fluorescence dynamics in the liver tissue., L’ablation partielle du foie est une chirurgie qui intervient dans le traitement des lésions du foie et lors d’une transplantation partielle de foie. Les relations entre l’hémodynamique du foie, son volume et ses fonctions restent à élucider pour mieux comprendre les causes des complications de ces chirurgies. Lors de la chirurgie, l’hémodynamique du foie est altérée suite à l’augmentation de la résistance au flux sanguin de l’organe. La régénération du foie semble dépendante des changements de débit et de pression dans la veine porte. D’autre part, comme le foie reçoit 25% du débit cardiaque, la chirurgie impacte la circulation sanguine globale. Dans ce contexte, le premier objectif est de mieux comprendre, grâce à des modèles mathématiques, l’influence de l’hépatectomie sur l’hémodynamique. Le second objectif est l’analyse de la perfusion et de la fonction du foie. Premièrement, la procédure chirurgicale, les conditions expérimentales ainsi que les mesures obtenues sont détaillées. Ensuite, les valeurs moyennes mesurées lors de douze chirurgies sont reproduites par un modèle de circulation entière, basé sur des équations différentielles ordinaires. Lors des différentes hépatectomies, des changements de forme de courbe sont observés. Un modèle de circulation entière, basée sur des équations 1D et 0D est proposé pour analyser ces changements. Ce travail pourrait permettre une meilleure compréhension des changements d’architecture du foie induits par l’hépatectomie. Puis, le transport dans le sang d’un composé ainsi que son traitement par le foie sont modélisés. Un modèle pharmacocinétique est développé et grâce aux mesures, les paramètres du modèle sont estimés.

Major liver resection is being performed to treat liver lesions or for adult-to-adult living donor liver transplantation. Complications of these surgeries are related to a poor liver function. The links between liver hemodynamics, liver volume and liver function remain unclear and are important to better understand these complications. The surgery increases the resistance to blood flow in the organ, therefore it modifies liver hemodynamics. Large modifications of the portal vein hemodynamics have been associated with poor liver regeneration. Moreover the liver receives 25% of the cardiac outflow, therefore liver surgery may impact the whole blood circulation. In this context, the first goal is to investigate with mathematical models the impact of liver surgery on liver hemodynamics. The second goal is to study the liver perfusion and function with mathematical models. The first part describes the experimental conditions and reports the measurements recorded. Then, the second part focuses on the liver hemodynamics during partial hepatectomy. On one hand, the hemodynamics during several surgeries is quantitatively reproduced and explained by a closed-loop model based on ODE. On the other hand, the change of waveforms observed after different levels of liver resection is reproduced with a model of the global circulation, including 0D and 1D equations. This may contribute to a better understanding of the change of liver architecture induced by hepatectomy. Next, the transport in blood of a compound is studied. And a pharmacokinetics model and its parameter identification are developed to quantitatively analyze indocyanine green fluorescence dynamics in the liver tissue.; L’ablation partielle du foie est une chirurgie qui intervient dans le traitement des lésions du foie et lors d’une transplantation partielle de foie. Les relations entre l’hémodynamique du foie, son volume et ses fonctions restent à élucider pour mieux comprendre les causes des complications de ces chirurgies. Lors de la chirurgie, l’hémodynamique du foie est altérée suite à l’augmentation de la résistance au flux sanguin de l’organe. La régénération du foie semble dépendante des changements de débit et de pression dans la veine porte. D’autre part, comme le foie reçoit 25% du débit cardiaque, la chirurgie impacte la circulation sanguine globale. Dans ce contexte, le premier objectif est de mieux comprendre, grâce à des modèles mathématiques, l’influence de l’hépatectomie sur l’hémodynamique. Le second objectif est l’analyse de la perfusion et de la fonction du foie. Premièrement, la procédure chirurgicale, les conditions expérimentales ainsi que les mesures obtenues sont détaillées. Ensuite, les valeurs moyennes mesurées lors de douze chirurgies sont reproduites par un modèle de circulation entière, basé sur des équations différentielles ordinaires. Lors des différentes hépatectomies, des changements de forme de courbe sont observés. Un modèle de circulation entière, basée sur des équations 1D et 0D est proposé pour analyser ces changements. Ce travail pourrait permettre une meilleure compréhension des changements d’architecture du foie induits par l’hépatectomie. Puis, le transport dans le sang d’un composé ainsi que son traitement par le foie sont modélisés. Un modèle pharmacocinétique est développé et grâce aux mesures, les paramètres du modèle sont estimés.

This memoire, based on the works done at the ENS de Lyon (2008-2017), is made of two parts.The first one is concerned by several aspects of the numerical simulation of viscoplastic fluids, thanks to duality methods (augmented Lagrangian and Bermúdez-Moreno). On the one hand, works on the design of well - balanced finite volume numerical schemes for prototypes of Shallow Water Bingham models (i.e. integrated in the vertical direction) are described. The 1D case is summarized while the 2D framework, which constitutes an original contribution of this document, is given in more details. In particular, we finish by an illustration of a viscoplastic avalanche in the Taconnaz avalanche path (Chamonix, Mont-Blanc). On the other hand, we give a synthesis on the work on the full 2D incompressible Bingham equations (i.e. not integrated like in the previous case) and its comparison with physical experiments in an expansion-contraction geometry.In the second part, we give an overview of the work done within the INRIA Numed Team, concerning the development of Bayesian methods for the parameters estimation of PDEs based models. More precisely, this work is based on SAEM methods which are intensively used in Medicine and Biology. The computational cost, associated to the numerous evaluations of the PDE model, being prohibitive, we proposed: (i) the implementation of a fixed metamodel (computed offline), based on an autorefined (structured tree) interpolation grid. And (ii) a kriged metamodel which is refined online during the SAEM iterations., Ce mémoire, basé sur l'activité réalisée à l'ENS de Lyon, est structuré en deux parties.Dans la première, nous traitons de divers aspects de la simulation numérique de fluides viscoplastiques, grâce à des méthodes de dualité (Lagrangien Augmenté et Bermúdez-Moreno). D'une part, les travaux sur le développement de schémas numériques volumes-finis "bien équilibrés" pour des équations de type Saint-Venant Bingham (intégration sur la verticale) sont décrits. Le cas 1D est synthétisé alors que le cadre bidimensionnel, qui constitue une contribution originale de ce document, est présenté plus en détails. En particulier, nous finissons par une illustration d'avalanche viscoplastique dans le couloir de Taconnaz (Massif du Mont-Blanc). D'autre part, nous donnons un résumé du travail de simulation sur les équations de Bingham incompressible 2D complètes (i.e. non intégrées, par opposition au cas précédent) et la comparaison avec des expériences physiques dans une géométrie de type expansion-contraction.Dans la seconde partie, nous donnons un survol des activités réalisées au sein de l'équipe INRIA Numed, concernant le développement de méthodes bayesiennes pour l'estimation de paramètres de modèles à base d'EDP. Plus précisément, ce travail concerne les méthodes SAEM qui sont très utilisées dans le domaine biomédical. Etant donné le coût prohibitif associé aux nombreuses évaluations du modèle EDP, nous avons proposé, d'une part, une implémentation de métamodèle fixe à base de grille d'interpolation autoraffinée (de type structuré arborescent) et, d'autre part, une méthode de métamodèle évolutif (construit par krigeage) se raffinant au cours des itérations du SAEM, elles mêmes.

We identify simultaneously storage and hydraulic transmissivity coefficients in groundwater flow governed by a linear parabolic equation.Both parameters are assumed to be functions piecewise constant in space.The unknowns are the coefficient values as well as the geometry of the zones where these coefficients are constant. This problem is formulated as minimizing a least-square function calculating the difference between measurements and the corresponding quantities computed with the current parameters values. The main point of this work is to construct an adaptive parameterization technique guided by refinement indicators. Using refinement indicators, we build the parameterization iteratively, going from a one zone parametrization to a parametrization with m zones where m is an optimal value to identify. We distinguish the cases where the two parameters have the same parameterization and different parameterizations. To improve the resolution of the inverse problem, we incorporate a posteriori error estimations defined to refine the computing mesh in an adaptive parametrization algorithm., On identifie simultanément les coefficients d'emmagasinement et de transmissivité hydraulique dans un écoulement souterrain gouvernent par une équation parabolique linéaire.Ces deux paramètres sont supposé être des fonctions constantes par morceaux en espace.Les inconnues du problème sont non seulement les valeurs de ces coefficients mais aussi la géométrie des zones dans lesquelles ces coefficients sont constants.Le problème est formule comme la minimisation d'une fonction de moindres carres calculant la différence entre les mesures et les quantités correspondantes évaluées avec la valeur courante des paramètres.L'objectif principal de ce travail est la construction d'une technique de paramétrisation adaptative guidée par des indicateurs de raffinement.L'utilisation d'indicateurs de raffinement, nous permet de construisons la paramétrisation de façon iterative;on allant d'une paramétrisation à une seule zone à une paramétrisation avec m zones où m est une valeur optimale à identifier.Nous distinguons les cas où les deux paramètres ont la même paramétrisation et le cas où les deux paramètres ont des paramétrisations différentes. Pour améliorer la résolution du problème inverse d'estimation de parametres, nous incorporons des estimateurs d'erreurs a posteriori définies pour raffiner le maillage de calcul dans l'algorithme de paramétrisation adaptative.

We identify simultaneously storage and hydraulic transmissivity coefficients in groundwater flow governed by a linear parabolic equation. Both parameters are assumed to be functions piecewise constant in space. The unknowns are the coefficient values as well as the geometry of the zones where these coefficients are constant. This problem is formulated as minimizing a least-square function calculating the difference between measurements and the corresponding quantities computed with the current parameters values. The main point of this work is to construct an adaptative parameterization technique guided by refinement indicators. Using refinement indicators, we build the parameterization iteratively, going from a one zone parametrization to a parametrization with $m$ zones where $m$ is an optimal value to identify. We distinguish the cases where the two parameters have the same parameterization and different parameterizations.\\ To improve the resolution of the inverse problem, we incorporate a posteriori error estimations.; On identifie simultanément les coefficients d'emmagasinement et de transmissivité hydraulique dans un écoulement souterrain gouvernent par une équation parabolique linéaire. Ces deux paramètres sont supposés être des fonctions constantes par morceaux en espace. Les inconnues du problème sont non seulement les valeurs de ces coefficients mais aussi la géométrie des zones dans lesquelles ces coefficients sont constants. Le problème est formule comme la minimisation d'une fonction de moindres carres calculant la différence entre les mesures et les quantités correspondantes évaluées avec la valeur courante des paramètres. L'objectif principal de ce travail est la construction d'une technique de paramétrisation adaptative guidée par des indicateurs de raffinement. L'utilisation d'indicateurs de raffinement, nous permet de construisons la paramétrisation de façon itérative, on allant d'une paramétrisation à une seule zone à une paramétrisation avec m zones où m est une valeur optimale à identifier. Nous distinguons les cas ou les deux paramètres ont la même paramétrisation et le cas où les deux paramètres ont des paramétrisations différentes. Pour améliorer la résolution du problème inverse d'estimation de paramètres, nous incorporons des estimateurs d'erreurs a posteriori.

Continuous progress in screening and high-throughput sequencing techniques in recent years paves the way for the identification of dynamic biological systems such as gene regulatory networks. However, the scarcity of the experimental data often leads to anuncertain estimation of parameters of interest. These uncertainties can be solved by generating new data in different experimental conditions, which induces additional costs. This thesis proposes a general active learning approach to develop tools of sequential experimental design for the identification of dynamical biological systems. The problem is formulated as a one-player game : the player has a budget dedicated for his experiments, each experiment has a different cost ; at every turn, he chooses one or more experiments to be performed on the system with the ultimate aim of maximizing the quality of the estimate, until the available budget is exhausted. The proposed approach called Experimental DEsign for Network inference (EDEN), is based on UCT (Upper Confident bounds for Trees) algorithm which combines Monte-Carlo tree search algorithms with multi-arm bandits to perform an effective exploration of the possible sequences of experiments. A strong point of the approach is anticipation : an experiment is selected at each round, knowing that this round will be followed by a number of other experiments, according to the available budget. This generic approach is rolled out in parameter estimation in nonlinear ordinary differential equations using partial observations. EDEN is applied on two problems : signaling network and gene regulatory network identification. Compared to the competitors, it exhibits very good results on a DREAM7 challenge where a limited budget and a wide range of experiments (perturbations, measurements) are available., Ces dernières années, les progrès continuels des techniques de criblage et de séquençage à haut débit ont nourri la biologie des systèmes, ouvrant la voie à l’identification de systèmes dynamiques biologiques tels que des réseaux de régulation génique. Cependant, l’insuffisance et la mauvaise qualité des données expérimentales se traduisent trop souvent par des estimations incertaines des paramètres d’intérêt des systèmes étudiés : ces incertitudes peuvent être levées en produisant de nouvelles données dans des conditions expérimentales variées, ce qui implique un coût potentiellement élevé. Dans cette thèse, nous proposons un nouvel algorithme d’apprentissage actif, destiné à recommander de manière séquentielle les expériences les plus utiles à l’identification de systèmes dynamiques biologiques modélisés par des équations différentielles. Le problème est formulé sous la forme d’un jeu à un joueur : le joueur se voit attribuer un budget dédié aux expérimentations, et un coût spécifique est affecté à chaque expérience ; à chaque tour, il est amené à choisir une, voire plusieurs expériences réalisées sur le système étudié dans le but de maximiser la qualité de l’estimation, une fois le budget épuisé. Notre approche, intitulée « ExperimentalDEsign for Network inference » (EDEN), s’appuie sur la classe d’algorithme UCT (Upper Confidence bounds for Trees search) qui allie la souplesse de la recherche arborescente de Monte-Carlo à l’efficacité des algorithmes de bandits multi-bras pour parcourir l’ensemble des séquences d’expériences possibles en privilégiant surtout celles qui sont les plus prometteuses. EDEN présente le grand avantage d’anticiper les expériences suivantes en sélectionnant à chaque tour des expériences sachant qu’elles seront suivies par un certain nombre d’autres expériences. Illustrée sur deux cas d’étude, le réseau de signalisation JAK/STAT et un des réseaux de régulation génique proposé dans la compétition internationale DREAM7, EDEN, entièrement automatique, obtient de très bonnes performances pour un budget limité et un large choix d’expériences (perturbations, mesures).

With the considerable attention crowd simulation has received, many algorithms have been and are being proposed. Yet, (1) there exists no standard scheme to evaluate the accuracy and flexibility of these algorithms, and (2) even the most recent algorithms produce noticeable simulation artifacts. Addressing the first issue, we propose a framework aiming to provide an objective and fair evaluation of the realism of crowd simulation algorithms. ''Objective'' here means the use of various metrics quantifying the similarity between simulations and ground-truth data acquired with real pedestrians. ''Fair'' here means the use of parameter estimation to automatically tune the tested algorithms to match the ground-truth data as closely as possible (with respect to the metrics), effectively allowing to compare algorithms at the best of their capability. We also explore how this process can increase a user's control on the simulation while reducing the amount of necessary intervention. Addressing the second issue, we propose a new collision-avoidance algorithm. Where current algorithms predict collisions by linearly extrapolating agents' trajectories, we better predict agents' future motions in a probabilistic, non-linear way, taking into account environment layout, agent's past trajectories and interactions with other obstacles among other cues. Resulting simulations do away with common artifacts such as: slowdowns and visually erroneous agent agglutinations, unnatural oscillation motions, or exaggerated/last-minute/false-positive avoidance manoeuvres. In a third contribution, we also explore how evaluation and parameter estimation can be used as part of wider systems. First, we apply it to insect simulation, taking care of local insect behavior. After completing it at the intermediate and global levels, the resulting data-driven system is able to correctly simulate insect swarms. Second, we apply our work to pedestrian tracking, constructing a ''meta-algorithm'', more accurately computing motion priors for a particle-filter-based tracker, outperforming existing systems.; Dû au grand intérêt porté à la simulation de foules, beaucoup d'algorithmes ont été et sont encore proposés. Toutefois, (1) il n'existe pas de méthode standard pour évaluer le réalisme et la flexibilité de ces algorithmes, et (2) même les algorithmes les plus récents produisent encore des artéfacts évidents. Abordant la première question, nous proposons une méthode visant à évaluer le réalisme des algorithmes de simulation de foules d'une manière objective et impartiale. ''Objective'' grâce à des métriques quantifiant la similitude entre les simulations et des données acquises en situation réelle. ''Impartiale'' grâce à l'estimation de paramètres permettant d'étalonner automatiquement les algorithmes en vue de décrire au mieux les données (par rapport aux métriques), permettant de comparer les algorithmes au mieux de leur capacité. Nous explorons aussi comment ce processus permet d'augmenter le niveau de contrôle d'un utilisateur sur la simulation tout en réduisant son implication. Abordant la deuxième question, nous proposons un nouvel algorithme d'évitement de collisions. Alors que les algorithmes existants prédisent les collisions en extrapolant linéairement les trajectoires des agents, nous allons au-delà grâce à une approche probabiliste et non-linéaire, prenant en compte entre autres la configuration de l'environnement, les trajectoires passées et les interactions avec les obstacles. Nous éliminons ainsi des simulations résultantes des artefacts tels que : les ralentissements et les agglomérats dérangeants d'agents, les mouvements oscillatoires non naturels, ou encore les manœuvres d'évitement exagérées/fausses/de dernière minute. Dans une troisième contribution, nous abordons aussi l'utilisation de notre travail sur l'évaluation et l'estimation de paramètres dans le cadre de systèmes plus larges. Dans un premier temps, nous l'appliquons à la simulation d'insectes, prenant en charge leur comportement local. Après avoir complété le système aux niveaux intermédiaire et global, cette approche basée-données est capable de simuler correctement des essaims d'insectes. Dans un second temps, nous appliquons notre travail au suivi de piétons, construisant un ''méta-algorithme'' servant à calculer la probabilité de transition d'un filtre particulaire, et surpassant les systèmes existants.

L’objectif de cette thèse est la mise au point d’une méthodologie d’analyse de l’impact des incertitudes des paramètres sols, lors de leur estimation à partir de la Base de Données Géographique des Sols de France à 1/1 000 000, sur les sorties du modèle de culture Stics. Développée avec la plateforme de modélisation RECORD, la méthodologie a été testée sur une Unité Typologique de Sol (UTS) test, sur 36 scénarios combinant des années climatiques sèches ou humides, trois occupations du sol (sol nu, blé, maïs) et, pour le maïs, deux scénarios d’irrigation. Les facteurs de l’analyse d’incertitude sont les paramètres sols de Stics liés au bilan hydrique ainsi que la teneur en eau initiale. Les variables de sortie analysées sont celles du bilan hydrique et les principales variables agronomiques. Les résultats sur l’UTS test montrent une forte incertitude sur la Réserve Utile (variant de 63 à 248 mm), d’abord expliquée par la variation de l’humidité utile des horizons profonds et ensuite par la profondeur du sol. Les incertitudes observées sur les sorties du modèle varient selon les types d’années climatiques, les occupations du sol et les variables de sortie. L’effet des incertitudes des paramètres sols s’exprime davantage lorsque le climat est sec et avec une culture de printemps. Les plus fortes incertitudes relatives sont observées sur le drainage cumulé, puis sur les biomasses et l’indice de surface foliaire. Enfin, les incertitudes sur les variables de sortie sont majoritairement dues à celles de la teneur en eau initiale (drainage, rapport RSURRU) et à celles de la Réserve Utile (transpiration, biomasses).

International audience

With the considerable attention crowd simulation has received, many algorithms have been and are being proposed. Yet, (1) there exists no standard scheme to evaluate the accuracy and flexibility of these algorithms, and (2) even the most recent algorithms produce noticeable simulation artifacts. Addressing the first issue, we propose a framework aiming to provide an objective and fair evaluation of the realism of crowd simulation algorithms. ''Objective'' here means the use of various metrics quantifying the similarity between simulations and ground-truth data acquired with real pedestrians. ''Fair'' here means the use of parameter estimation to automatically tune the tested algorithms to match the ground-truth data as closely as possible (with respect to the metrics), effectively allowing to compare algorithms at the best of their capability. We also explore how this process can increase a user's control on the simulation while reducing the amount of necessary intervention. Addressing the second issue, we propose a new collision-avoidance algorithm. Where current algorithms predict collisions by linearly extrapolating agents' trajectories, we better predict agents' future motions in a probabilistic, non-linear way, taking into account environment layout, agent's past trajectories and interactions with other obstacles among other cues. Resulting simulations do away with common artifacts such as: slowdowns and visually erroneous agent agglutinations, unnatural oscillation motions, or exaggerated/last-minute/false-positive avoidance manoeuvres. In a third contribution, we also explore how evaluation and parameter estimation can be used as part of wider systems. First, we apply it to insect simulation, taking care of local insect behavior. After completing it at the intermediate and global levels, the resulting data-driven system is able to correctly simulate insect swarms. Second, we apply our work to pedestrian tracking, constructing a ''meta-algorithm'', more accurately computing motion priors for a particle-filter-based tracker, outperforming existing systems., Dû au grand intérêt porté à la simulation de foules, beaucoup d'algorithmes ont été et sont encore proposés. Toutefois, (1) il n'existe pas de méthode standard pour évaluer le réalisme et la flexibilité de ces algorithmes, et (2) même les algorithmes les plus récents produisent encore des artéfacts évidents. Abordant la première question, nous proposons une méthode visant à évaluer le réalisme des algorithmes de simulation de foules d'une manière objective et impartiale. ''Objective'' grâce à des métriques quantifiant la similitude entre les simulations et des données acquises en situation réelle. ''Impartiale'' grâce à l'estimation de paramètres permettant d'étalonner automatiquement les algorithmes en vue de décrire au mieux les données (par rapport aux métriques), permettant de comparer les algorithmes au mieux de leur capacité. Nous explorons aussi comment ce processus permet d'augmenter le niveau de contrôle d'un utilisateur sur la simulation tout en réduisant son implication. Abordant la deuxième question, nous proposons un nouvel algorithme d'évitement de collisions. Alors que les algorithmes existants prédisent les collisions en extrapolant linéairement les trajectoires des agents, nous allons au-delà grâce à une approche probabiliste et non-linéaire, prenant en compte entre autres la configuration de l'environnement, les trajectoires passées et les interactions avec les obstacles. Nous éliminons ainsi des simulations résultantes des artefacts tels que : les ralentissements et les agglomérats dérangeants d'agents, les mouvements oscillatoires non naturels, ou encore les manœuvres d'évitement exagérées/fausses/de dernière minute. Dans une troisième contribution, nous abordons aussi l'utilisation de notre travail sur l'évaluation et l'estimation de paramètres dans le cadre de systèmes plus larges. Dans un premier temps, nous l'appliquons à la simulation d'insectes, prenant en charge leur comportement local. Après avoir complété le système aux niveaux intermédiaire et global, cette approche basée-données est capable de simuler correctement des essaims d'insectes. Dans un second temps, nous appliquons notre travail au suivi de piétons, construisant un ''méta-algorithme'' servant à calculer la probabilité de transition d'un filtre particulaire, et surpassant les systèmes existants.

The remarkable evolution of information technologies and digital imaging technology in the past decades allow digital images to be ubiquitous. The tampering of these images has become an unavoidable reality, especially in the field of cybercrime. The credibility and trustworthiness of digital images have been eroded, resulting in important consequences in terms of political, economic, and social issues. To restore the trust to digital images, the field of digital forensics was born. Three important problems are addressed in this thesis: image origin identification, detection of hidden information in a digital image and an example of tampering image detection : the resampling. The goal is to develop a statistical decision approach as reliable as possible that allows to guarantee a prescribed false alarm probability. To this end, the approach involves designing a statistical test within the framework of hypothesis testing theory based on a parametric model that characterizes physical and statistical properties of natural images. This model is developed by studying the image processing pipeline of a digital camera. As part of this work, the difficulty of the presence of unknown parameters is addressed using statistical estimation, making the application of statistical tests straightforward in practice. Numerical experiments on simulated and real images have highlighted the relevance of the proposed approach, Le XXIème siècle étant le siècle du passage au tout numérique, les médias digitaux jouent un rôle de plus en plus important. Les logiciels sophistiqués de retouche d’images se sont démocratisés et permettent de diffuser facilement des images falsifiées. Ceci pose un problème sociétal puisqu’il s’agit de savoir si ce que l’on voit a été manipulé. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la criminalistique des images. Trois problèmes sont abordés : l'identification de l'origine d'une image, la détection d'informations cachées dans une image et la détection d'un exemple falsification : le rééchantillonnage. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre de la théorie de la décision statistique et proposent la construction de détecteurs permettant de respecter une contrainte sur la probabilité de fausse alarme. Afin d'atteindre une performance de détection élevée, il est proposé d'exploiter les propriétés des images naturelles en modélisant les principales étapes de la chaîne d'acquisition d'un appareil photographique. La méthodologie, tout au long de ce manuscrit, consiste à étudier le détecteur optimal donné par le test du rapport de vraisemblance dans le contexte idéal où tous les paramètres du modèle sont connus. Lorsque des paramètres du modèle sont inconnus, ces derniers sont estimés afin de construire le test du rapport de vraisemblance généralisé dont les performances statistiques sont analytiquement établies. De nombreuses expérimentations sur des images simulées et réelles permettent de souligner la pertinence de l'approche proposée

The thesis analyses imperfect maintenance processes of industrial systems by statistical models. Imperfect maintenance is an intermediate situation of two extremes ones: minimal maintenance where the system is restored to the state immediately prior to failure, and perfect maintenance where the system is renewed after the failure. Analytical expressions of reliability quantities of an imperfect maintenance model are developed. The convergence of the model is highlighted and the asymptotic expressions are proposed. The results are applied to build some preventive maintenance policies that contain only imperfect maintenances. The second part of the thesis consists of analyzing failure data contained in observation windows. An observation window is a period of the entire functioning history that only the events occurring in this period are recorded. The modelling and the inference are based on the convergence property or the modelling of initial age. Finally, Bayesian inference of an imperfect maintenance model is presented. The impact of the choices of a priori distributions is analyzed by numerical simulations. A selection method of imperfect maintenance models using the Bayes factor is also introduced.The statistical modelling in each section is applied to real data, Cette thèse est consacrée à la modélisation de la maintenance imparfaite par les modèles statistiques. La maintenance imparfaite est le cas intermédiaire de deux situations extrêmes : la maintenance minimale où le système est remis en état qu’il se trouve juste avant la défaillance, et la maintenance parfaite où le système est remplacé à neuf. Dans ce cadre, les expressions analytiques des grandeurs de fiabilité d’un modèle de maintenance imparfaite sont développées. La convergence du modèle est soulignée, et les lois asymptotiques dans le régime stationnaire sont proposées. Ensuite, les lois sont appliquées pour proposer des politiques de maintenance préventive avec des maintenances imparfaites. Le deuxième thème consiste à proposer une adaptation de procédure d’estimation pour les fenêtres d’observation. Seuls les événements pendant ces périodes sont observés. La modélisation et l’inférence s’appuient sur la convergence de modèles vers leurs régimes stationnaires, ou sur la modélisation de l’âge du système au début des fenêtres. Enfin, l’inférence bayésienne d’un modèle de maintenance imparfaite y est présentée. On étudie l’impact des choix des lois a priori sur la qualité des estimations par des simulations numériques. La sélection des modèles de maintenance imparfaite par le facteur de Bayes est proposée. Dans chaque partie, les modélisations statistiques sont appliquées à des données issues de l’industrie

We identify simultaneously storage and hydraulic transmissivity coefficients in groundwater flow governed by a linear parabolic equation. Both parameters are assumed to be functions piecewise constant in space. The unknowns are the coefficient values as well as the geometry of the zones where these coefficients are constant. This problem is formulated as minimizing a least-square function calculating the difference between measurements and the corresponding quantities computed with the current parameters values.The main point of this paper is to construct an adaptative parameterization technique guided by refinement indicators.; On identifie simultanément les coefficients d'emmagasinement et de transmissivité hydraulique dans un écoulement souterrain gouverné par une équation parabolique linéaire. Ces deux paramètres sont supposés être des fonctions constantes par morceaux en espace. Les inconnues du problème sont non seulement les valeurs de ces coefficients mais aussi la geométrie des zones dans lesquelles ces coefficients sont constants. Le problème est formulé comme la minimisation d'une fonction de moindres carrés calculant la différence entre les mesures et les quantités correspondantes évaluées avec la valeur courante des paramètres. L'objectif principal de cet article est la construction d'une technique de paramétrisation adaptative guidéepar des indicateurs de raffinement.

Importance ranking of parameter uncertainties in geo-hazard assessments Epistemic uncertainty can be reduced via additional lab or in site measurements or additional numerical simulations. We focused here on parameter uncertainty: this corresponds to the incomplete knowledge of the correct setting of the input parameters (like values of soil properties) of the model supporting the geo-hazard assessment. A possible option tomanage it is via sensitivity analysis, which aims at identifying the contribution (i.e. the importance) of the different input parameters in the uncertainty on the final hazard outcome. For this purpose, advanced techniques exist, namely variance-basedglobal sensitivity analysis. Yet, their practical implementation faces three major limitations related to the specificities of the geo-hazard domain: 1. the large computation time cost (several hours if not days) of numerical models; 2. the parameters are complex functions of time and space; 3. data are often scarce, limited if not vague. In the present PhD thesis, statistical approaches were developed, tested and adapted to overcome those limits. A special attention was paid to test the feasibility of those statistical tools by confronting them to real cases (natural hazards related to earthquakes, cavities and landslides); Les incertitudes épistémiques peuvent être réduites via des études supplémentaires (mesures labo, in situ, ou modélisations numériques, etc.). Nous nous concentrons ici sur celle "paramétrique" liée aux difficultés à évaluer quantitativement les paramètres d’entrée du modèle utilisé pour l’analyse des aléas géotechniques. Une stratégie de gestion possible est l’analyse de sensibilité, qui consiste à identifier la contribution (i.e. l’importance) des paramètres dans l’incertitude de l’évaluation de l’aléa. Des approches avancées existent pour conduire une telle analyse. Toutefois, leur application au domaine des aléas géotechniques se confronte à plusieurs contraintes : 1. le coût calculatoire des modèles numériques (plusieurs heures voire jours) ; 2. les paramètres sont souvent des fonctions complexes du temps et de l’espace ; 3. les données sont souvent limitées, imprécises voire vagues. Dans cette thèse, nous avons testé et adapté des outils statistiques pour surmonter ces limites. Une attention toute particulière a été portée sur le test de faisabilité de ces procédures et sur la confrontation à des cas réels (aléas naturels liés aux séismes, cavités et glissements de terrain)

The outcome of radiofrequency ablation (RFA) of abdominal tumors is challenged by the presence of blood vessels and time-varying thermal conductivity, which make patient-specific planning extremely difficult. By providing predictive tools, biophysical models may help clinicians to plan and guide the procedure for an effective treatment. We introduce a detailed computational model of the biophysical mechanisms involved in RFA of hepatic tumors such as heat diffusion and cellular necrosis. It simulates the extent of ablated tissue based on medical images, from which patient-specific models of the liver, visible vessels and tumors are segmented. In this thesis, a new approach for solving these partial differential equations based on the Lattice Boltzmann Method is introduced. The model is first evaluated against clinical data of patients who underwent RFA of liver tumors. Then, a comprehensive pre-clinical experiment that combines multi-modal, pre- and post-operative anatomical and functional images, as well as the interventional monitoring of the temperature and delivered power is presented. This enables an end-to-end validation framework that considers the most comprehensive data set for model validation. Then, we automatically estimate patient-specific parameters to better predict the ablated tissue. This personalization strategy has been validated on 7 ablations from 3 clinical cases. From the pre-clinical study, we can go further in the personalization by comparing the simulated temperature and delivered power with the actual measurements during the procedure. These contributions have led to promising results, and open new perspectives in RFA guidance and planning.; L'ablation par radiofréquence (ARF) de tumeurs abdominales est rendue difficile par l’influence des vaisseaux sanguins et les variations de la conductivité thermique, compliquant la planification spécifique à un patient donné. En fournissant des outils prédictifs, les modèles biophysiques pourraient aider les cliniciens à planifier et guider efficacement la procédure. Nous introduisons un modèle mathématique détaillé des mécanismes impliqués dans l’ARF des tumeurs du foie comme la diffusion de la chaleur et la nécrose cellulaire. Il simule l’étendue de l’ablation à partir d’images médicales, d’après lesquelles des modèles personnalisés du foie, des vaisseaux visibles et des tumeurs sont segmentés. Dans cette thèse, une nouvelle approche pour résoudre ces équations basée sur la méthode de Lattice Boltzmann est introduite. Le modèle est d’abord évalué sur des données de patients qui ont subi une ARF de tumeurs du foie. Ensuite, un protocole expérimental combinant des images multi-modales, anatomiques et fonctionnelles pré- et post-opératoires, ainsi que le suivi de la température et de la puissance délivrée pendant l'intervention est présenté. Il permet une validation totale du modèle qui considère des données les plus complètes possibles. Enfin, nous estimons automatiquement des paramètres personnalisés pour mieux prédire l'étendu de l’ablation. Cette stratégie a été validée sur 7 ablations dans 3 cas cliniques. A partir de l'étude préclinique, la personnalisation est améliorée en comparant les simulations avec les mesures faites durant la procédure. Ces contributions ont abouti à des résultats prometteurs, et ouvrent de nouvelles perspectives pour planifier et guider l’ARF.

The outcome of radiofrequency ablation (RFA) of abdominal tumors is challenged by the presence of blood vessels and time-varying thermal conductivity, which make patient-specific planning extremely difficult. By providing predictive tools, biophysical models may help clinicians to plan and guide the procedure for an effective treatment. We introduce a detailed computational model of the biophysical mechanisms involved in RFA of hepatic tumors such as heat diffusion and cellular necrosis. It simulates the extent of ablated tissue based on medical images, from which patient-specific models of the liver, visible vessels and tumors are segmented. In this thesis, a new approach for solving these partial differential equations based on the Lattice Boltzmann Method is introduced. The model is first evaluated against clinical data of patients who underwent RFA of liver tumors. Then, a comprehensive pre-clinical experiment that combines multi-modal, pre- and post-operative anatomical and functional images, as well as the interventional monitoring of the temperature and delivered power is presented. This enables an end-to-end validation framework that considers the most comprehensive data set for model validation. Then, we automatically estimate patient-specific parameters to better predict the ablated tissue. This personalization strategy has been validated on 7 ablations from 3 clinical cases. From the pre-clinical study, we can go further in the personalization by comparing the simulated temperature and delivered power with the actual measurements during the procedure. These contributions have led to promising results, and open new perspectives in RFA guidance and planning.; L'ablation par radiofréquence (ARF) de tumeurs abdominales est rendue difficile par l’influence des vaisseaux sanguins et les variations de la conductivité thermique, compliquant la planification spécifique à un patient donné. En fournissant des outils prédictifs, les modèles biophysiques pourraient aider les cliniciens à planifier et guider efficacement la procédure. Nous introduisons un modèle mathématique détaillé des mécanismes impliqués dans l’ARF des tumeurs du foie comme la diffusion de la chaleur et la nécrose cellulaire. Il simule l’étendue de l’ablation à partir d’images médicales, d’après lesquelles des modèles personnalisés du foie, des vaisseaux visibles et des tumeurs sont segmentés. Dans cette thèse, une nouvelle approche pour résoudre ces équations basée sur la méthode de Lattice Boltzmann est introduite. Le modèle est d’abord évalué sur des données de patients qui ont subi une ARF de tumeurs du foie. Ensuite, un protocole expérimental combinant des images multi-modales, anatomiques et fonctionnelles pré- et post-opératoires, ainsi que le suivi de la température et de la puissance délivrée pendant l'intervention est présenté. Il permet une validation totale du modèle qui considère des données les plus complètes possibles. Enfin, nous estimons automatiquement des paramètres personnalisés pour mieux prédire l'étendu de l’ablation. Cette stratégie a été validée sur 7 ablations dans 3 cas cliniques. A partir de l'étude préclinique, la personnalisation est améliorée en comparant les simulations avec les mesures faites durant la procédure. Ces contributions ont abouti à des résultats prometteurs, et ouvrent de nouvelles perspectives pour planifier et guider l’ARF.

Ce rapport traite la problématique de l'estimation des paramètres d'un modèle physique décrivant le comportement d'un système réel non linéaire. Cette question est préalable à toute élaboration de contrôleurs qui ne sauraient être efficaces sans avoir une bonne connaissance du modèle aux observations. Les modèles considérés sont donnés dans le formalisme des Systèmes Hamiltoniens à Ports qui permet de garantir la passivité du système à temps continu et la stabilité des simulations à temps discret pour un schéma numérique adapté. La méthode proposée repose sur une estimation au maximum de vraisemblance des paramètres qui, dans le cas non linéaire et non gaussien, nécessite de construire un observateur de l'état du système : l'algorithme d'espérance-maximisation est donc associé au fltrage particulaire, le tout en exploitant la structure des Systèmes Hamiltoniens à Ports. La méthode est présentée et testée sur un modèle-jouet, en vue d'être appliquée au haut-parleur électrodynamique.

This PhD thesis focuses on the quantitative analysis of mathematical problems arising in the field of optimal algorithmic trading. Concretely, we propose a scientific approach in order to optimize processes related to the capture and provision of liquidity in electronic markets. Because of the strongly industry-focused character of this work, not only we are interested in giving rigorous mathematical results but also to understand this research project in the context of the different stages that come into play during the practical implementation of the tools developed throughout the following chapters (e.g. model interpretation, parameter estimation, programming etc.).From a scientific standpoint the core of our work focuses on two techniques taken from the world of optimization and probability; these are, stochastic control and stochastic approximation. In particular, we provide original academic results for the problem of high frequency market making and the problem of portfolio liquidation by using limit orders; both by using a backward optimization approach. We also propose a forward optimization framework to solve the market making problem; the latter approach being quite innovative for optimal trading, as it opens the door for machine learning techniques.From a practical angle, this PhD thesis seeks to create a bridge between academic research and practitioners. Our mathematical findings are constantly put in perspective in terms of their practical implementation. Hence, we focus a large part of our work on studying the different factors that are of paramount importance to understand when transforming our quantitative techniques into industrial value: understanding the underlying market microstructure, empirical stylized facts, data processing, discussion about the models, limitations of our scientific framework etc., L'objectif de ce travail de thèse est une étude quantitive des differents problèmes mathematiques qui apparaissent en trading algorithmique. Concrètement, on propose une approche scientifique pour optimiser des processus relatifs a la capture et provision de liquidités pour des marchés electroniques.Du au fort caractère appliqué de ce travail, on n'est pas seulement intéressés par la rigeur mathématique de nos résultats, mais on souhaite aussi a comprendre ce travail de recherche dans le contexte des differentes étapes qui font partie de l'implementation pratique des outils que l'on developpe; par exemple l'interpretation du modèle, l'estimation de parametres, l'implementation informatique etc.Du point de vue scientifique, le coeur de notre travail est fondé sur deux techniques empruntées au monde de l'optimisation et des probabilités, celles sont : le contrôle stochastique et l'approximation stochastique.En particulier, on présente des resultats academiques originaux pour le probleme de market-making haute fréquence et le problème de liquidation de portefeuille en utilisant des limit-orders; dans le deux cas on utilise une approche d'optimisation dite backwards. De la même façon, on résout le problème de market-making en utilisant une approche "forward", ceci étant innovateur dans la litterature du trading optimal car il ouvre la porte à des techniques d'apprentissage automatique.Du pont de vue pratique, cette thèse cherches à creer un point entre la recherche academique et l'industrie financière. Nos resultats sont constamment considérés dans la perspective de leur implementation pratique. Ainsi, on concentre une grande partie de notre travail a étudier les differents facteurs qui sont importants a comprendre quand on transforme nos techniques quantitatives en valeur industrielle: comprendre la microstructure des marchés, des faits stylisés, traitrement des données, discussions sur les modèles, limitations de notre cadre scientifique etc.