Pôle Scientifique AM2I - Automatique, Mathématiques, Informatique et leurs Interactions Programme 2013-2017 - Université de Lorraine
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Pôle Scientifique AM2I Automatique, Mathématiques, Informatique et leurs Interactions Programme 2013-2017 En partenariat avec :
SOMMAIRE
Page 2 : Présentation du pôle scientifique AM2I
Page 3 : Éditorial
Page 4 : Recherches amont
Page 8 : Modélisation, simulation et contrôle des systèmes
Page 12 : Cyber-sécurité et sûreté des systèmes
Page 16 : Sciences et technologies du numérique pour la biologie, la santé et l’autonomie
Page 18 : Traitement automatique des langues et des connaissances
Page 21 : Formations, bibliothèque de mathématiques et conférences
Page 22 : Les laboratoires du pôle scientifique AM2I
LE PÔLE AM2I EN BREF
Effectifs Données annuelles
• 425 enseignants-chercheurs répartis dans 6 laboratoires de • 9,3 M€ de budget
recherche et 1 fédération de recherche • 6,5 M€ de contrats
• 75 chercheurs permanents • 75 thèses soutenues
• 70 administratifs & techniques • 450 articles en revues
• 260 doctorants • 570 communications en conférences internationales
• 50 post-doctorants
• 5 ERC et 3 IUF
Le pôle scientifique Automatique, Mathématiques, Informatique et leurs Interactions (AM2I) de l’Université de Lor-
raine regroupe près de 880 personnes réparties au sein de six laboratoires, dont trois unités mixtes de recherche:
CRAN (CNRS & UL), IECL (CNRS & UL) et LORIA (CNRS, Inria & UL), regroupées au sein de la Fédération de
recherche Charles Hermite. Trois équipes d’accueil appartiennent également au pôle scientifique AM2I : LCOMS
(UL), LITA (UL) et LGIPM (ENIM et UL). Les 500 chercheurs et enseignants-chercheurs sont appuyés par près de
70 personnels administratifs et techniques et forment 260 doctorants. Des post-doctorants, des personnels contrac-
tuels et des stagiaires sont également accueillis au sein de ces unités.
Les travaux de recherche portent autant sur des aspects amont des mathématiques pures ou appliquées
et des sciences du numérique (informatique, automatique, traitement du signal) que sur des aspects interdiscipli-
naires : modélisation, simulation et contrôle des systèmes dynamiques ; sécurité et sûreté des systèmes informati-
sés ; mathématiques et sciences du numérique pour la biologie et la santé; ingénierie des langues et des connais-
sances… Ces interactions qui se font naturellement avec les autres pôles scientifiques au sein de l’Université de
Lorraine et avec des partenaires tels que le CHU, l’Institut de Cancérologie de Lorraine, l’ENIM, ICN Business
School ou l’ENS d’Architecture de Nancy, ont vocation à se renforcer. Les travaux en partenariat sont également
nombreux au niveau international et avec le milieu socio-économique, les domaines d’application de ces sciences
transverses étant nombreux.
2
ÉDITORIAL
L’avancée des connaissances dans le domaine des mathématiques et des sciences du numérique est le
fait des chercheurs et enseignants-chercheurs regroupés en Lorraine, au sein du pôle scientifique Automatique,
Mathématiques, Informatique et leurs Interactions de l’Université de Lorraine. Le programme de recherche 2013-
2017, dont cette plaquette veut donner une vision synthétique, est issu des projets scientifiques proposés par les
six laboratoires de recherche du pôle et a fait l’objet de réflexions partagées avec Inria et le CNRS, à travers ses
instituts en charge des mathématiques (INSMI) et des sciences de l’information (INS2I).
Soutenues par l’État et les collectivités territoriales, les activités de recherche sont conduites sur le territoire
lorrain, principalement à Nancy et Metz, mais aussi à Épinal, Saint-Dié et Longwy.
L’objectif principal, pour ces acteurs de la recherche publique, est de faire progresser les connaissances.
Les chercheurs s’attaquent ainsi à des questions encore ou-
vertes en mathématiques fondamentales, en géométrie, en
théorie des nombres, en probabilités, en informatique théo-
rique ou bien encore en théorie du contrôle. Établir de nou-
veaux théorèmes, développer de nouvelles méthodes, conce-
voir de nouveaux algorithmes sont autant d’ambitions qui
visent à faire progresser la modélisation mathématique ou
numérique, la conception et la simulation numérique, le traite-
ment de données et d’informations.
En complément de leurs travaux aux frontières de
la connaissance, les chercheurs vont également imaginer et
permettre de nouveaux usages, ou améliorer ceux existants,
grâce aux sciences du numérique et ainsi ouvrir la porte à des
innovations. Dans ce contexte, quatre thématiques sont parti-
culièrement mises en avant :
• modélisation, simulation et contrôle des systèmes ;
• sciences et technologies du numérique pour la biolo-
gie, la santé et l’autonomie ;
• cyber-sécurité et sûreté de fonctionnement ;
• traitement automatique des langues et des connaissances.
Les interactions avec les autres pôles scientifiques sont nombreuses et touchent des domaines variés :
cancérologie, neurosciences et autonomie, humanités numériques, fabrication additive, efficacité énergétique, mo-
délisation en géosciences, traitement de signaux de microscopie et de spectroscopie...
Outre la formation doctorale, avec 75 thèses soutenues par an, les enseignants-chercheurs et les cher-
cheurs contribuent également à la formation des étudiants dans les programmes de licences, de masters, de DUT
et de formations d’ingénieurs. Certaines de ces formations ont un caractère international marqué notamment à
travers le programme Erasmus Mundus.
Les activités des chercheurs ont permis de créer de nombreux emplois en Lorraine grâce aux contrats de
recherche. Près de 880 personnes contribuent ainsi directement à ces travaux ou les appuient par leur soutien
administratif et technique. De nombreux résultats ont été récompensés par des prix et d’éminents chercheurs sont
membres de l’Institut Universitaire de France (IUF) ou sont soutenus au travers du programme d’excellence du
conseil européen de la recherche (ERC grants).
Alain Richard,
Directeur du pôle scientifique AM2I,
Université de Lorraine
3
Recherches amont
Les chercheurs lorrains contribuent à l’accroissement et à la diffusion des connaissances en
mathématiques et en sciences du numérique. Leurs principales orientations vont de l’analyse
mathématique et de la géométrie à la visualisation et au traitement de données, en passant par
l’optimisation, l’apprentissage statistique, les systèmes distribués en réseaux et les méthodes
formelles.
Méthodes formelles et lo- où des aspects comme la sûreté, la
gique sécurité, la vie privée, la fiabilité sont Une synthèse de protocole
vitaux. pour la connaissance
Comment s’assurer qu’un pro-
gramme informatique fonctionne Publications Hans Van Ditmarsch a décro-
correctement ? Si l’on peut tolérer ché un financement du conseil
des «bugs» dans un jeu vidéo par V. Cheval, V. Cortier et A. Plet: européen de la recherche (ERC)
exemple, il n’en est pas de même Lengths may break privacy - or dans le cadre de son projet sur
pour les programmes régissant le how to check for equivalences la synthèse de protocole épisté-
fonctionnement d’un pacemaker ou with length. Computer Aided Veri- mique.
d’un avion. fication, LNCS vol. 8044, 2013.
Les méthodes formelles Cela consiste à définir des pro-
désignent des langages et des Y. Chevalier et M. Rusinowit- tocoles qui visent à garantir des
techniques permettant de raisonner ch: Decidability of equivalence propriétés sûres et qu’elles rem-
rigoureusement sur les programmes of symbolic derivations. Journal plissent en même temps le devoir
informatiques. Elles reposent sur of Automated Reasoning, vol. 48 d’informer. Les propriétés de sécu-
des fondements mathématiques et (2), 2012. rité et d’information concernent
logiques. plusieurs domaines d’études.
D. Larchey-Wendling et D. Gal-
Il s’agit, d’une part, d’exprimer for-
miche : Non-deterministic phase
mellement les propriétés attendues Par exemple, en médecine, il est
semantics and the undecidability
des programmes ou systèmes logi- important qu’un patient ait accès
of boolean BI. ACM Transactions
ciels (correction partielle ou totale, à ses données médicales mais il
on Computational Logic, vol. 14,
bon typage, exclusion mutuelle, est fondamental que ces informa-
(1), 2013.
contrôle d’accès), et d’autre part, tions restent confidentielles. De
de modéliser la partie critique du D. Déharbe, P. Fontaine, Y. la même manière, dans les jeux
système. Les modèles formels ainsi Guyot et L. Voisin : SMT solvers comme le bridge, il convient de
conçus peuvent alors être analysés for Rodin. ABZ- Third Int. Conf. construire des systèmes signa-
par des techniques logiques comme on Abstract State Machines, vol. lisés pour que le message soit
la démonstration, la recherche de 7316 LNCS Springer, 2012. intelligible pour le partenaire mais
preuves, le calcul de points-fixes, le pas pour l’adversaire.
typage. B. Charron-Bost, H. Debrat, et
Des environnements logiciels, S. Merz : Formal verification of
Il s’agit donc de définir une
comprenant des éditeurs de consensus algorithms tolerating
manière de modéliser l’informa-
modèles formels, des outils de véri- malicious faults. 13th Int. Symp.
tion.
fication, de validation, de traduction Stabilization, Safety, and Security
vers des langages de programma- of Distributed Systems, vol. 6976
tion, facilitent l’usage des méthodes of LNCS Springer, 2011.
formelles. Parmi les succès, la
méthode B a été développée pour H. Cirstea, C. Kirchner, R.
assurer l’adéquation d’un système Kopetz et P-E. Moreau : Anti-
logiciel de contrôle ferroviaire (ligne patterns for rule-based lan-
14 du Métro de Paris) à un cahier guages. J. Symb. Comput., vol 45
des charges ; elle a aussi permis (5), 2010.
de rationaliser le développement de D. Méry et N. K. Singh : Formal
tels systèmes critiques en permet- specification of medical systems
tant des gains de productivité dans by proof-based refinement. ACM
les études qui ont suivi. Trans. Embedded Comput. Syst.,
Plus généralement, l’analyse for- vol 12 (1) 2013.
melle de programmes contribue à
accroître la confiance dans le déve-
loppement de systèmes critiques Illustration d’un pace-maker
4
Géométrie et visualisa- Ce domaine de recherche entre-
tion, analyse et théorie des Publications tient des liens avec les chercheurs
en physique et en informatique théo-
nombres riques.
R. De la Bretèche et G. Tenen-
La recherche en mathématiques baum : Entiers friables : inégalité Enfin, dans le domaine des sta-
en Lorraine se place dans une de Turán-Kubilius et applications. tistiques, les travaux concernent
longue et riche tradition. Ainsi, la Invent. Math., vol. 159 (3), 2005. plusieurs aspects :
première médaille Fields française - en apprentissage statistique,
a été obtenue en 1950 par Laurent F. Campana : Orbifoldes géo- nous nous intéressons plus par-
Schwartz, alors enseignant-cher- métriques spéciales et classifica- ticulièrement aux problèmes de
cheur à Nancy. C’est également à tion biméromorphe des variétés discrimination et de régression. Les
Nancy que se trouvait le secrétariat kählériennes compactes. J. Inst. applications les plus importantes
du groupe Bourbaki pendant sa Math. Jussieu, vol. 10 (4), 2011. concernent la segmentation de
Recherches amont
période la plus productive, entre séquences biologiques, la modélisa-
1935 et 1968. Les travaux fondateurs L. Dupont, D. Lazard, S. Lazard tion des réseaux de gènes en bio-
de ce groupe constituent un point de et S. Petitjean : Near-optimal logie moléculaire et la modélisation
référence dans le développement parameterization of the intersec- de données discrètes spatio-tempo-
des mathématiques fondamentales tion of quadrics: I. the generic relles comportant une grande pro-
au niveau national et mondial. Les algorithm. Journal of Symbolic portion de zéros ;
travaux actuels en mathématiques Computation, vol. 43 (3), 2008. - en analyse de données tournées
fondamentales concernent : vers les applications en biologie et
- des questions d’analyse (har- en santé, les thématiques appro-
monique ou complexe) ainsi que fondies portent sur l’estimation et
de théorie analytique et probabiliste l’identification de systèmes biolo-
des nombres ; giques complexes, sur le transport
- des questions de géométrie de lumière dans les tissus biolo-
complexe, différentielle, arithmé- giques, sur des modèles novateurs
tique, non-commutative ainsi que de croissance de tumeur ou encore
sur les groupes algébriques. la détermination du score de survie
Ces travaux en géométrie fon- des patients atteints d’insuffisance
damentale se prolongent dans le cardiaque.
domaine de l’informatique. Ainsi,
pour représenter des objets géo- Publications
métriques complexes, nous travail- Des distinctions pour les
lons à la conception et à la mise mathématiques lorraines P. Chassaing et J. Mairesse : A
en œuvre d’algorithmes exacts et
non-ergodic probabilistic cellular
efficaces pour les mathématiques,
Frédéric Campana, professeur automaton with a unique inva-
la physique et la chimie. Nos tra-
à l’Université de Lorraine s’est vu riant measure. Stochastic Pro-
vaux en géométrie discrète vont
remettre le prix Jaffé par l’Institut cesses and their Applications, vol.
permettre de répondre à des ques-
de France en 2008 pour ses tra- 121(11), 2011
tions d’analyse, de détection et de
vaux sur la géométrie des variétés
reconnaissance de formes dans les O. Garet et R. Marchand :
complexes et il est, depuis 2011,
images numériques. L’informatique Asymptotic shape for the contact
membre de l’Institut Universitaire
graphique vise à développer de process in random environment.
de France.
nouvelles méthodes pour transfor- The Annals of Applied Probability,
Tout comme l’a été Mihai Paun,
mer et optimiser les représentations vol. 22 (4), 2012
sur des thématiques similaires
géométriques. Les nouveaux algo-
jusqu’à son départ en Corée. F. Lauer et Y. Guermeur :
rithmes proposés permettent ainsi
de faire progresser la conception MSVMpack: a multi-class sup-
d’objets par voie additive (impri- Probabilités, statistiques et port vector machine package.
mante 3D), de rendre réaliste les The Journal of Machine Learning
apprentissage
interactions de la lumière avec les Research, vol. 2, 2011
formes ou bien encore de visualiser Les travaux visent à faire progres-
des objets géologiques 3D. ser les connaissances et leurs appli- O.Collignon, J.M.Monnez,
Les travaux fondamentaux en cations dans trois domaines. Dans Pierre Vallois et al, «Discriminant
théorie des nombres se prolongent celui du calcul stochastique, il s’agit analyses of peanut allergy seve-
par des développements algorith- de modéliser aussi bien des mar- rity scores», Journal of Applied
miques, par exemple pour la factori- chés financiers que des systèmes Statistics, vol. 38 (9), 2011
sation d’entiers ou le calcul arithmé- écologiques.
X. Bardina, D. Bascompte, C.
tique par ordinateur. Celui des probabilités discrètes
Rovira et S. Tindel : An analysis
s’intéresse aux cartes planaires
of a stochastic model for bacte-
(graphes finis), aux systèmes de
riophage systems. Mathematical
particules en interaction et aux auto-
Biosciences, vol. 241 (1), 2013
mates cellulaires.
5
Recherches amont
Optimisation, recherche des approches fondées sur des
opérationnelle et graphes techniques de modélisation et de
simulation combinées aux outils de W. Trabelsi, C. Sauvey et N.
Dans les domaines de l’optimi- la recherche opérationnelle ainsi Sauer : Heuristics and metaheuris-
sation et de la recherche opéra- qu’à ceux des mathématiques finan- tics for mixed blocking constraints
tionnelle, nous développons des cières pour résoudre des problèmes flowshop scheduling problems,
outils théoriques et algorithmiques liés à la maintenance et à la fiabilité́ Computers and Operations
pour la modélisation et la résolution des systèmes, à la logistique, à la Research, vol. 39 (11), 2012.
des problèmes issus de nombreux production de biens et de services.
domaines d’application comme la N. Rezg, S. Dellagi, et A. Khatab
Ainsi, pour l’ordonnancement de
gestion de production, le transport : Joint Optimization of Maintenance
systèmes ou pour le dimension-
ou la logistique, l’apprentissage et and Production Policies, Wiley-
nement de lots sont intégrées des
la fouille de données, le traitement ISTE, 2014.
contraintes relatives aux environne-
de signaux ou d’images, le contrôle ments de production et au transport. F.V. Fomin et D. Kratsch : Exact
optimal, la robotique … exponential algorithms, Springer,
2010.
Nous avons ainsi plus particuliè-
rement conduit des travaux pion-
Le prix Robert Faure en
M. Geist et B. Scherrer : Off-po-
niers en optimisation non convexe recherche opérationnelle licy Learning with Eligibility Traces:
et en optimisation globale (continue/ A Survey. Journal of Machine Lear-
combinatoire) avec la création de Nathalie Sauer et Imed ning Research, vol. 15, Jan. 2014.
la programmation DC et DCA. Ces Kacem , tous deux professeurs
fondements théoriques et algorith- à l’Université de Lorraine ont été
miques de référence sont utilisés récompensé par la remise du prix Systèmes distribués, ré-
avec succès partout dans le monde Robert Faure pour leurs contribu-
pour des applications en biologie,
seaux et génie logiciel
tions originales dans le domaine
en finance et pour les systèmes de de l’aide à la décision et de la
communication. En optimisation de recherche opérationnelle. Aujourd’hui, les ordinateurs, les
forme, c’est la meilleure géométrie objets connectés, fixes ou mobiles,
pour un critère quantitatif donné et les utilisateurs reliés en réseaux
(portance ou traînée d’une aile, forment des systèmes complexes,
écho d’un avion furtif ...) qui est Publications dynamiques et de large échelle
recherchée. En croisant des idées ce qui pose des problèmes de
issues de l’intelligence artificielle et T. Pham Dinh et H.A. Le Thi : recherche inédits sur la conception,
de l’optimisation par programmation Recent advances in DC Program- l’architecture et l’optimisation des
dynamique, nous avons proposé ming and DCA. Trans. on Compu- réseaux. Cela induit également
des algorithmes pour résoudre des tationnal Collective Intelligence, des questions sur la modélisation
problèmes de prise de décision vol. 13, 2014. et l’utilisation efficace de ressources
séquentielle dans l’incertain en hétérogènes et distribuées ainsi que
s’appuyant sur le formalisme des A. Henrot et M. Pierre : Varia- sur la façon d’y développer des ser-
processus de décision markoviens.. tion et optimisation de forme. vices et des applications sûrs. Les
Springer, 2005. algorithmes de prise de décision ou
En recherche opérationnelle, les d’optimisation déjà évoqués précé-
travaux méthodologiques portent I. Kacem et V. Th. Paschos : demment, doivent être adaptés pour
sur l’optimisation combinatoire et Weighted completion time mini- prendre en compte les informations
l’approximation pour les problèmes mization on a single-machine issues des objets connectés, par
NP-complets au sens de la théorie with a fixed non-availability inter- exemple pour la gestion optimale de
de la complexité et sur les algo- val: differential approximability. la production ou de la consomma-
rithmes en théorie des graphes. Discrete Optimization, vol.10 (1) tion d’énergie.
En lien direct avec le monde 2013. Nos travaux de recherche portent
industriel, nous proposons des L. Alfandari, A. Nagih, A. Pla- plus spécifiquement sur :
solutions efficaces et pertinentes teau et J. Sadki : Hybrid column - le développement de nouveaux
pour résoudre des problèmes d’op- generation for large-size covering protocoles et services de l’internet
timisation et d’aide à la décision qui integer programs: application to du futur, de réseaux de capteurs ou
se posent aux différents niveaux transportation planning. Compu- de réseaux embarqués ;
de la chaîne logistique et dans le ters & Operations Research, vol. - la maîtrise et l’utilisation efficace
domaine des transports. Plus par- 40(8), 2013. des infrastructures de calcul à haute
ticulièrement, nous développons performance et de cloud et sur la
6
Signal, image et réalité aug-
mentée Publications
En traitement du signal, les A. Toutios, S. Ouni et Y. Laprie
travaux concernent d’une part, le : Estimating the control parame-
traitement de la parole et, d’autre ters of an articulatory model from
part, le traitement des signaux mul- electromagnetic articulograph
Recherches amont
tidimensionnels où les problèmes data. The Journal of the Acous-
traités sont relatifs à la résolution tical Society of America, vol. 129
de problèmes inverses (déconvolu- (5), 2011.
tion, séparation de sources, analyse
spectrale, traitement d’antenne). S. Henrot, C. Soussen, M.
Ces méthodes sont appliquées à Dossot et D. Brie : Does deblur-
l’analyse et à l’interprétation des ring improve geometrical hypers-
phénomènes acoustiques, phy- pectral unmixing ? IEEE Trans.
siques, chimiques, biologiques et on Image Processing, vol. 23 (3),
géologiques. Elles reposent sur l’ob- 2014.
servation d’expériences multi-para-
mètriques au moyen de différents F. Sur, N. Noury et M-O. Ber-
instruments de mesure (fluores- ger : An A Contrario Model for
cence, infra-rouge, Raman, RMN, matching interest points under
microscopie de force atomique, geometric and photometric
microscopie hyperspectrale, cyto- constraints. SIAM Journal on Ima-
Publications ging Sciences, vol. 6 (4), 2013.
métrie, antenne acoustique). Dans
le domaine de la parole, l’objectif est G. Simon, M-O. Berger : Inte-
M. Barrere, R. Badonnel et O. le traitement automatique du signal
Festor : Vulnerability assessment ractive Building and Augmenta-
afin d’en extraire le sens, ainsi que tion of Piecewise Planar Envi-
in autonomic networks and ser- d’analyser et de renforcer sa struc-
vices: A survey. IEEE Commu- ronments Using the Intersection
ture acoustique. Pour avancer dans Lines. Visual Computer, vol 27
nication Surveys and Tutorials, le domaine des interfaces vocales, il
2013. (9), 2011.
est ainsi nécessaire de s’intéresser
S. Kubler, J. Robert, J-P. à l’analyse, à la perception et à la
Georges et E. Rondeau : Dual reconnaissance automatique de la
parole. portent sur le calcul de point de vue
path communications over multi- en temps réel, la modélisation 3D et
ple spanning trees for networked Dans le domaine de la vision
par ordinateur, l’accent est mis sur la fusion d’informations.
control systems. Engineering
Applications of Artificial Intelli- les applications de réalité augmen-
gence, vol. 25 (7), 2012. tée qui permettent à un utilisateur
d’améliorer la compréhension d’un
T. Buchert, L. Nussbaum et J. environnement donné comme l’as-
Gustedt : Methods for Emulation sistance à un geste médical ou la
of Multi-Core CPU Performance. visualisation de patrimoines cultu-
IEEE 13th Int. Conf. on High Per- rels. Les problèmes à résoudre
formance Computing and Com-
munications (HPCC), 2011
conception de méthodes d’ingénierie
et de composition sûre de services
collaboratifs.
Les domaines d’applications
concernés sont l’internet du futur, les
villes intelligentes, les réseaux de
distribution d’électricité (smart grid),
les systèmes de transport ou de pro-
duction, et les lanceurs spatiaux…
7
Modélisation, simulation et contrôle
des systèmes
La mise au point d’outils numériques de modélisation, de simulation et de contrôle s’appuie sur
une synergie entre mathématiciens, informaticiens et automaticiens. Formaliser un système réel
sous forme mathématique, déterminer les lois permettant de le contrôler au cours du temps,
transcrire cette formalisation sous forme informatique doivent conduire à des innovations
industrielles significatives.
Introduction • exploiter les systèmes Modélisation numérique et
de production en temps réel. En conception d’objets
Les sciences et technologies du sidérurgie, le laminage de l’acier
numérique prennent une place de nécessite un contrôle en temps réel
plus en plus importante dans les de différents facteurs. Celui-ci vise La modélisation par éléments finis
processus d’exploitation et de pro- notamment à éviter les dysfonction- est omniprésente pour le traitement
duction industriels. Ceci s’illustre par nements provoquant des arrêts de numérique de systèmes existants.
exemple par l’augmentation consi- la chaîne de production et donc une Rares toutefois sont les modèles
dérable de la part de leur impact éco- augmentation des coûts de produc- académiques assez flexibles pour
nomique dans différentes «chaînes tion ; être utilisés dans l’industrie. Les
de valeur». Nos laboratoires du pôle • optimiser la production : le laboratoires lorrains ont une forte
scientifique contribuent à la modéli- contrôle optimal d’un laminoir, visant expertise sur les maillages dyna-
sation mathématique et numérique à garantir la qualité de l’acier peut miques pour la simulation de fluides
de systèmes et de processus variés, être réalisé par un calculateur, dont 3D. La bonne résolution de ces pro-
allant de l’exploitation de forages le programme est élaboré à l’aide blèmes passe par des aspects diffi-
pétroliers, au contrôle de processus d’une modélisation mathématique ciles en géométrie algorithmique. Un
sidérurgiques en passant par la pro- poussée. Dans l’industrie pétrolière, algorithme de génération de mail-
pagation d’ondes. Les techniques la production des puits de pétrole lage qui a donné lieu à deux brevets,
de modélisation mathématique et dépend d’un grand nombre de para- a été développé et a fait l’objet d’une
numérique ont le potentiel de réduire mètres. La simulation numérique action de transfert industriel. Actuel-
les coûts de développement et d’ex- d’écoulements permet d’optimiser lement, des applications dédiées
ploitation de tout un ensemble de ces paramètres en analysant fine- à l’exploration pétrolière, en parte-
processus industriels. Elles doivent ment leur influence et les consé- nariat avec le consortium GOCAD
garantir la qualité des produits fabri- quences de leurs interactions ; regroupant les principales entre-
qués et réduire la consommation • prévenir les pannes : en prises pétrolières, sont en cours de
d’énergie ainsi que l’impact environ- simulant l’évolution à long terme développement. Ces travaux visent
nemental. d’un système, il est possible de à proposer des maillages dyna-
mieux comprendre son processus miques adaptés à la modélisation
Les objets industriels et les de vieillissement et ainsi gérer sa du comportement de fluides dans
chaînes de production de l’usine de maintenance et contribuer à sa sûre- les champs pétroliers. Le souhait de
demain sont constitués de grands té de fonctionnement. disposer d’un maillage robuste, tolé-
ensembles de systèmes complexes rant les erreurs de mesures expé-
interconnectés, dont la compréhen- rimentales, soulève des problèmes
sion et la maîtrise constituent de théoriques difficiles (diagrammes de
véritables défis scientifiques et tech-
niques. Dans ce contexte de haute
technologie, particulièrement com-
pétitif, la simulation et le contrôle
numérique représentent un avan-
tage stratégique de premier plan,
et ce à tous les stades (conception,
exploitation, maintenance) du pro-
cessus industriel, en permettant de :
• réduire les coûts de concep-
tion. Par exemple, la simulation
numérique ou la conception d’objets
3D permettent de réduire les coûts
par rapport à la réalisation de proto-
types « physiques » ; la conception
de maillages à base de carrés qui
permet de faire des crash-test vir-
tuels ;
8
Systèmes cyberphysiques
Voronoï de segments et non plus de
points), et nécessite un développe- Le virtuel pour la fabrica- Publications
ment de code pointu. tion d’objets de la vie cou- Y. Boubendir, X. Antoine et
La fabrication additive (impri- rante C. Geuzaine : A Quasi-Opti-
mantes 3D) est une technologie mal non-overlapping domain
récente permettant la conception Sylvain Lefebvre a obtenu un decomposition algorithm for the
d’objets personnalisés. Bien au-delà financement du conseil européen Helmholtz equation. Journal of
de la création de simples gadgets, il de la recherche (ERC) dans le Computational Physics, vol. 231
est question ici de créer des objets cadre de son projet “ShapeForge” (2), 2012.
soumis à des contraintes techniques portant sur la fabrication d’ob-
précises, rendant notamment pos- G. Croce, A. Henrot et G.
jets de la vie courante à partir
sible une utilisation industrielle. La Pisante : An isoperimetric inequa-
d’exemples.
Lorraine dispose d’une conjonction lity for a nonlinear eigenvalue pro-
de compétences sur les diverses blem. Annales de l’IHP, Analyse
Ces méthodes tirent parti d’al-
facettes de ce sujet : élaboration gorithmes capables de générer non-linéaire, vol. 29, (1), 2012.
de matériaux, modélisation et pilo- des textures qui ressemblent à un
tage machine, développement et échantillon donné, et de les repro-
utilisation de nouvelles imprimantes. duire à grande échelle.
«Fabriquer» avec ces imprimantes à
filaments en utilisant des matériaux Partant du constat que les
nouveaux (métalliques, magné- imprimantes 3D permettent à
tiques, verriers ou dissolubles par tout un chacun de fabriquer des
exemple) pose des défis significatifs. objets très simplement, l’idée de
Sylvain Lefebvre est de conce-
Afin de conférer à la pièce les pro- voir les méthodes algorithmiques
priétés voulues, l’interaction avec le pour créer automatiquement de
logiciel est primordiale, tout comme nouveaux objets respectant un
la capacité à apporter les modifica- style.
tions nécessaires à l’imprimante.
L’utilisation de plusieurs matériaux Nous devrions pouvoir utiliser
sur une même pièce imprimée sera ces objets dans la vie de tous les
en particulier considérée. Il s’agit jours (exemples : une tasse, un
d’un avantage majeur de la tech- support de téléphone, un objet
nologie à filaments, actuellement décoratif). Ce nouveau pont entre
peu exploité en raison de limitations le virtuel et le réel devrait avoir
logicielles et d’incompatibilités entre un impact important sur nos vies
matériaux. Les développements quotidiennes.
futurs permettront d’aborder d’autres
techniques comme le frittage laser
en y intéressant des partenaires
industriels.
Quelques contrats de recherche représentatifs
PROJETS PARTENAIRES FINANCEURS
High BRID : Hybridisation de méthodes numériques stan- IECL, Université de Liège Fondation EADS
dards et de l’analyse microlocale pour la diffraction acous-
tique et électromagnétique à haute fréquence.
VORPALINE : logiciel de maillage utilisant de la modélisation LORIA European Research Council
3D (images de synthèse, simulation...) (ERC)
ShapeForge : modélisation à partir d’exemples pour l’impres- LORIA European Research Council
sion 3D (ERC)
Modélisation, simulation, contrôle et surveillance de proces- ArcelorMittal, CRAN ArcelorMittal, Région Lorraine,
sus sidérurgique ANRT
IPPON : Identification pour les Problèmes de Propagation ONERA-Toulouse, IECL Fondation Recherche Aéronau-
d’ONdes tique Espace
9
Modélisation, simulation et contrôle
des systèmes
Publications Les mathématiciens
S. Lefebvre et J. Hergel : Clean
modélisent les interactions
color : improving multi-filament 3D fluide-structure en obser-
prints. Computer Graphics Forum vant la nage des poissons
(EUROGRAPHICS), 2014
Marius Tucsnak a été nommé
B. Lévy et Y. Liu : Lp centroidal
membre de l’IUF en janvier 2013
Voronoi tesselation and its appli-
«Goodshape», optimiser pour ses travaux sur le contrôle
cations. ACM Transactions on
et l’observation des systèmes
l’échantillonnage Graphics, vol. 29 (4), 2010.
gouvernés par des équations
aux dérivées partielles, d’une
Bruno Lévy a obtenu un finan- part, et l’analyse, la simulation
cement du conseil européen de
Modélisation mathématique
et le contrôle des interactions
la recherche (ERC) dans le cadre et simulation numérique
fluide-structure d’autre part.
de son projet “GoodShape” por- Les équations aux dérivées par-
tant sur la modélisation 3D par tielles (EDP) fournissent un cadre Il s’agit des domaines com-
échantillonnage. théorique solide et un langage suffi- portant des questions d’un grand
samment riche pour décrire de nom- intérêt pour les mathématiciens,
La modélisation d’objets 3D breux phénomènes. Par exemple, permettant également d’interagir
par ordinateur est le fondement la modélisation mathématique et avec d’autres domaines scien-
des images de synthèse, bien sûr, la simulation numérique associée tifiques comme la biologie, la
mais également de certains types doivent permettre de comprendre mécanique ou l’automatique.
de simulations numériques, que les phénomènes vibratoires directs
ce soit pour les calculs aérodyna- et inverses. Ces derniers ont des À titre d’exemple, la modélisa-
miques des avions, les recherches applications en acoustique, en élec- tion et l’analyse mathématique de
en chimie ou les modélisations du tromagnétisme, en physique des l’interaction d’un fluide visqueux
sous-sol pour l’industrie pétro- plasmas et sur la matière conden- avec un solide permettent de
lière. La première étape consiste sée à très basse température. mieux comprendre la nage des
à échantillonner l’objet, à savoir organismes aquatiques ou de
distribuer sur l’objet un ensemble Le développement de codes de commander des robots nageurs.
de points de la manière la plus simulation en 3D, garantissant des
homogène possible. performances en termes de robus-
tesse, de précision et de temps de
Grâce à une représentation calcul se montrera utile pour de
optimisée d’objets 3D par ordi- nombreuses applications : impri-
nateur (optimisation de l’échan- mante 3D, dimensionnement des
tillonnage), capable de s’adapter systèmes thermiques, thermofor-
au cours du temps, Bruno Lévy mage du verre ... La vocation de tels
compte bien améliorer la précision codes est de simuler, de prédire le
des simulations numériques par comportement des matériaux et de
le développement d’autres algo- déterminer des lois de commande.
rithmes avec d’autres méthodes Ces codes de simulation pourront
d’optimisation numérique. être exploités sur le mésocentre de Contrôle et pilotage
calcul haute-performance qui devrait
Les retombées concernent le être déployé en Lorraine. Pour maî- Les algorithmes de contrôle-com-
graphisme par ordinateur et cer- triser ces ressources, les dimension- mande permettent d’imposer l’évo-
tains des domaines qui mettent à ner correctement lors de l’acquisi- lution temporelle des variables d’un
profit la simulation numérique. tion et leur assurer une polyvalence système dynamique, la vitesse
L’échantillonnage est 10 à 100 souvent primordiale, des recherches d’un véhicule ou la trajectoire d’un
fois plus rapide et le résultat est sont également menées autour robot par exemple, afin d’obtenir un
beaucoup plus précis. D’ores et d’une grille de calcul nationale. comportement souhaité. Les théma-
déjà, cela permet d’échantillon- Celle-ci fédère une communauté tiques de recherche, fortement pré-
ner des objets bien plus grands d’utilisateurs large et active. sentes en Lorraine, portent sur diffé-
et d’aborder des problèmes plus rents développements théoriques ou
complexes. méthodologiques.
10Systèmes cyberphysiques
Le contrôle de systèmes com- qu’il s’agisse de robotique bio-inspi-
plexes, modélisant en particulier rée ou de flotte de drones : contrôle Publications
un grand nombre de procédés embarqué et commande résiliente,
industriels, pose de nombreux défis communication et informatique V. Laurain, R. Tóth, M. Gilson
scientifiques liés notamment à la temps réel, localisation et suivi, et H. Garnier : Direct identification
dimension des systèmes dont l’état intégration de systèmes cyber-phy- of continuous-time linear parame-
dépend, en théorie, d’une infinité de siques, enregistrements électrophy- ter-varying input/output models,
paramètres ou à leur hétérogénéité. siologiques. Control Theory & Applications, IET,
Cette dernière peut avoir plusieurs vol. 5 (7), 2011.
origines comme la nature hybride de
la dynamique (discrète et continue),
Comment contrôler un sys- M. Tucsnak et G. Weiss:
les échelles de temps multiples, tème qui commute au cours Observation and Control for Ope-
rator Semigroups. Springer, 2009.
les commutations entre des dyna- du temps ? Des dynamiques
miques, la coopération d’objets mul-
tiples. Les applications visées ont un hybrides, à la frontière des M. Jungers, EB. Castelan, S.
Tarbouriech et J. Daafouz : Finite
spectre large comprenant le contrôle mondes numériques et réels L2-induced gain and λ-contractivity
optimal de processus industriels ou
of discrete-time switching systems
le contrôle sous contraintes de com- Jamal Daafouz a été nommé including modal nonlinearities and
munications en temps réel. membre de l’IUF en 2010 pour actuator saturations. Nonlinear
Les méthodes de modélisation ses travaux sur les systèmes Analysis : Hybrid Systems, vol. 5
expérimentale de systèmes ou le dynamiques hybrides. (2), 2011.
développement de capteurs logiciels
par construction d’observateurs Les systèmes dynamiques D. Sauter, M-A. Sid, S. Aberkane
permettent de décrire leur compor- hybrides sont des systèmes dont et D. Maquin : Co-design of safe
tement dynamique et s’appuient sur le comportement est le résultat networked control systems. Annual
des données souvent de plus en d’une interaction entre une dyna- Reviews in Control, vol. 37 (2),
plus disponibles en grande quantité. mique continue et une dynamique 2013.
D’autres méthodes vont permettre discrète.
de piloter ou de diagnostiquer de M.A. Kammoun, N. Rezg et Z.
tels systèmes. Il en est ainsi de la C’est notamment le cas des Achour : New Approach for Air
modélisation et du contrôle d’objets systèmes embarqués, domaine Traffic Management based on
se mouvant dans un fluide, dont les clé des sciences et technologies Control Theory, Int. J. of Production
applications potentielles se situent de l’information et de la commu- Research, vol. 52 (6), 2014.
en aéronautique ou en médecine. nication avec un large éventail
I. Malloci, J. Daafouz, C. Iung,
d’applications. Analyser, contrôler
R. Bonidal, P. Szczepanski. :
La conception de systèmes de et optimiser les systèmes dyna-
Robust steering control of hot
production performants et durables miques hybrides sont des enjeux
strip mill. IEEE Transactions on
cherche à prendre en considération importants de la recherche en
Control Systems Technology , vol.
l’humain et le robot en leur sein et automatique. Les problèmes
18 (4), 2010.
vise à optimiser leur exploitation. ouverts abordés sont caracté-
Il s’agit notamment de prendre en risés par la prise en compte de L. Ciarletta, A. Guénard : The
compte les aspects d’éco-concep- phénomènes complexes tels que AETOURNOS project : using a
tion et d’efficacité énergétique la présence d’échelles de temps flock of UAVs as a cyber physical
depuis la phase de conception à différentes et la prise de mesures system and platform for applica-
celle de maintenance, en passant à intervalles irréguliers. tion-driven research. EmSens -
par le pilotage et la logistique. Ainsi, 2nd Int. Workshop on Emerging
pour développer des chaînes logis- Ces travaux sont menés dans Topics on Sensor Networks, 2012.
tiques durables, il est nécessaire d’ le cadre du réseau d’excellence
intégrer les contraintes environne- européen HYCON2. Certains X. Qi, J. Qi, D. Theilliol, Y .
mentales ou sociétales, d’optimiser des résultats obtenus trouvent Zhang, J. Han, D. Song et CS Hua
le transport intermodal, d’inclure les des applications en sidérurgie, : A review on fault diagnosis and
stratégies de maintenance dans leur notamment la méthode permet- fault tolerant control methods for
conception. tant de stabiliser en temps réel single-rotor aerial vehicles. Journal
les bandes de métal dans les of Intelligent & Robotic Systems,
Enfin, les laboratoires associent laminoirs. Celle-ci a fait l’objet vol. 73, 2014.
également leurs compétences dans d’une validation expérimentale et
le développement de la robotique d’un dépôt de brevet international
3D ou de systèmes cyberphysiques, en partenariat avec ArcelorMittal.
11Cyber-sécurité et sûreté des systèmes
Les recherches en cryptologie, en virologie informatique, en surveillance des réseaux de
communication doivent permettre de sécuriser de mieux en mieux les échanges numériques :
transaction bancaire, vote électronique, réseaux pair-à-pair. La modélisation et l’ingénierie des
systèmes complexes doivent contribuer à améliorer la sûreté de fonctionnement des processus
industriels et des moyens de transport.
La sécurité informatique de protocoles de sécurité, la sûreté
logicielle et la cryptographie. Nous Une marque de reconnais-
La sécurité informatique est une souhaitons particulièrement relever sance pour sécuriser les
les défis informatiques sous-ten-
préoccupation de plus en plus pré-
dant deux applications à fort impact
protocoles de communica-
gnante à mesure que notre société
s’appuie sur les outils numériques. scientifique, économique et sociétal. tion
Deux défis principaux se dégagent La première est la sécurité dans les
dans ce domaine : d’une part les applications décentralisées à large Véronique Cortier a décroché
systèmes deviennent de plus en échelle, typiquement les réseaux un financement du conseil euro-
plus complexes et hétérogènes, tout sociaux pair-à-pair. Pour prévenir la péen de la recherche (ERC) dans
en contrôlant les aspects les plus menace potentielle sur la vie privée le cadre de son projet visant à
critiques de la société ; d’autre part, d’une centralisation de données sécuriser les protocoles de com-
la multiplicité des petits appareils entre les mains d’une seule et même munication.
entité, nous voulons travailler sur L’objectif est de proposer des
l’émergence méthodes modulables pour ana-
de réseaux lyser ces protocoles et de déve-
distribués lopper des techniques de vérifica-
dans les- tion générales pour de nouvelles
quels chaque classes de protocoles qui sont, de
utilisateur nos jours d’un intérêt primordial
pourra déci- comme les protocoles de vote
der des per- électronique.
sonnes avec Ses travaux portent également
lesquelles sur la sécurisation des interfaces
partager ses de programmation utilisées pour
données. gérer les clefs électroniques stoc-
La seconde kées sur des modules sécurisés.
application Ces modules servent dans de
est la e-dé- nombreuses applications comme
mocratie. Du les compteurs intelligents (comp-
électroniques (téléphones, clefs de paiement de ses achats à la parti- teurs électriques par exemple),
voiture, cartes bancaires, cartes cipation à des élections, en passant l’armement ou encore dans le
sans contact) font partie de la vie par la déclaration de ses impôts, domaine bancaire (distributeurs-
quotidienne du citoyen et le rendent tous les actes du citoyen tendent à de billets, contrôle d’accès à des
ainsi vulnérable. se dématérialiser. Bien sûr, ces ser- bases de données chiffrées, etc.).
Durant la dernière décennie, de vices numériques se doivent d’offrir Les techniques seront d’abord
nouvelles activités de recherche la même sécurité que leurs ancêtres développées dans les modèles
liées à la sécurité informatique ont matériels. La sécurité des services symboliques, mais la partie cryp-
vu le jour en Lorraine. Une plate- numériques passent par plusieurs tographique utilisée dans de tels
forme d’expérimentation dédiée à outils clefs que nous souhaitons protocoles (chiffrement, signa-
ces recherches a d’ailleurs été créée développer. Ainsi, la cryptographie ture, ...) sera examinée afin d’ob-
en 2010 : le Laboratoire de Haute constitue la brique de base pour tenir des garanties de sécurité
Sécurité (LHS). La Lorraine dispose chiffrer, signer, ou déléguer de façon plus élevées.
désormais d’une masse critique de sûre. Les protocoles définissent
chercheurs spécialisés sur cette ensuite les échanges sur Internet,
thématique, de plateformes expéri- en s’appuyant sur la cryptographie.
mentales dédiées et de formations Enfin, la sûreté logicielle garantit le
adaptées. tout : une petite faille d’implémenta-
Les défis principaux seront tion peut suffire à mettre à mal tout
attaqués selon les orientations de l’édifice.
recherche suivantes : la virologie,
le management d’Internet, l’analyse
12Cyber-sécurité et sûreté
avec certification pour offrir des ser-
Publications Un nouvel algorithme pour le vices tels que coffre-fort numérique
logarithme discret (horodatage, séquestre), analyse de
T. Cholez, I. Chrisment, O. Fes- codes binaires (par exemple, pour
tor et G. Doyen : Detection and détecter une utilisation sans auto-
mitigation of localized attacks in Des chercheurs du Loria, risation d’un logiciel tiers), apports
a widely deployed P2P network. laboratoire lorrain de recherches de preuves numériques dans un
Journal of Peer-to-Peer Networ- en informatique et ses appli- cadre légal (forensic), service d’ac-
king and Applications, vol. 6 (2), cations (CNRS/Université de cès autour d’une base de logiciels
2012. Lorraine/Inria) ont résolu un pan malveillants, etc. Certains acteurs
du problème du logarithme dis- industriels ou publics ne peuvent en
A.Enge, P. Gaudry et E.Thomé effet avoir recours à des solutions
cret, considéré comme l’un des
: Discrete logarithm algorithm for « clé en main» et sont vivement
«graals» de la théorie algorith-
low degree curves. Journal of intéressés par des solutions per-
mique des nombres, à la base
Cryptology, vol. 24, 2011. sonnalisées pouvant être aisément
de la sécurité de nombreux sys-
tèmes cryptographiques utilisés auditées.
Y. Chevalier et M. Rusinowitch,
Decidability of Equivalence of aujourd’hui.
Symbolic Derivations. J. Autom. Sûreté de fonctionnement
Reasoning, vol.48 (2), 2012. Ils ont ainsi conçu un nouvel
Une fusée peut être détruite après
algorithme battant en brèche la
son décollage suite à une défail-
J. Calvet, J. M. Fernandez et sécurité d’une variante de ce
lance informatique de son système
J-Y Marion : Aligot: cryptographic problème, pourtant étudiée avec
de commande, des patients peuvent
function identification in obfus- attention depuis 1976. Ce résultat
recevoir des doses anormales d’ir-
cated binary programs. ACM permet d’ores et déjà de rejeter
radiation en raison d’un crash du
Conference on Computer and plusieurs systèmes cryptogra-
système informatique de contrôle
Communications Security, 2012. phiques supposés jusqu’alors
des rayonnements, des automobi-
offrir des garanties de sécurité
listes perdent le contrôle manuel
suffisante.
de la vitesse de leur véhicule lors
Une part importante des travaux du blocage du régulateur embarqué.
Bien qu’encore théoriques,
sera menée en s’appuyant sur le Qu’ont de commun ces différents
ces travaux devraient avoir des
Laboratoire de Haute Sécurité qui problèmes ? Ils mettent en œuvre
répercussions, notamment dans
permet d’observer et d’analyser des systèmes cyber-physiques, à
les applications cryptographiques
des trafics réseau, ainsi que de savoir des systèmes qui déploient
des cartes à puces, des puces
faire tourner des logiciels malveil- une coopération étroite et formelle
RFID etc.
lants sans risque de contamination. entre des systèmes informatiques
Cette plate-forme doit permettre la de contrôle et / ou surveillance,
valorisation et le transfert industriel d’une part, des systèmes physiques,
biologiques, sociaux, d’autre part
et, le cas échéant des opérateurs
humains. Il est attendu de ces
systèmes qu’ils soient sûrs tout au
long de leur vie et ce, jusqu’à leur
démantèlement. Dans les exemples
cités, les défaillances proviennent
de causes non préalablement
identifiées en raison d’analyses de
sûreté de fonctionnement menées
séparément sur des composants du
système. Ces analyses portent sur
l’évaluation prévisionnelle de la fia-
bilité, de la maintenabilité, de la dis-
ponibilité et de la sécurité (FMDS).
L’originalité des recherches
réside dans une approche d’ingénie-
rie système en sûreté de fonctionne-
ment, à savoir une analyse globale,
intégrant notamment les aspects de
fiabilité dynamique, de validation/
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