Visualisations novatrices pour la compréhension de réseaux et de logiciels complexes

La visualisation d’information a le potentiel de pouvoir exploiter nos capacités visuelles, acquises au fil de centaines de millions d’années d’évolution, afin de faciliter la découverte de secrets enfouis dans les données, de nouveaux patrons ou de relations insoupçonnées. Il existe toutefois une grande variété de données, plus ou moins structurées, que l’on cherche à comprendre sous diverses perspectives. En particulier, les données sous forme de réseaux servent à modéliser des phénomènes importants, tels que les communautés sociales ou les transactions financières, mais peuvent être difficiles à représenter si les réseaux sont grands, hiérarchiques, et/ou dynamiques. Cette thèse se concentre sur la conception de nouvelles techniques de visualisation de réseaux, dans le but de faciliter la compréhension de données. Les techniques de visualisation présentes dans la littérature sont utiles dans certains contextes et comportent chacune des limitations. Néanmoins, il existe encore des possibilités inexplorées pour créer des nouvelles façons de représenter des données. La validation de ces nouvelles techniques demeure un défi. En outre, les interfaces doivent être simples à utiliser, mais aussi faciliter l’analyse et l’exploration de données. Dans le but d’étudier de nouvelles options de visualisations pour faciliter des tâches de compréhension des données, nous avons d’abord classifié les travaux antérieurs avec des taxonomies. De cette manière, nous avons aussi pu mettre en lumière des nouvelles pistes d’hybrides (c’est-à-dire, des combinaisons d’approches) potentiellement intéressantes pour visualiser des réseaux statiques et dynamiques. Les contributions présentées dans cette thèse couvrent différents aspects de la visualisation de réseaux complexes et dynamiques. D’abord, le premier chapitre se concentre sur la visualisation de réseaux statiques comportant des hiérarchies, par la combinaison d’approches. Le prototype décrit dans le deuxième chapitre permet également de combiner des représentations visuelles, mais peut être aussi utilisé afin de modéliser des graphes dynamiques. Enfin, le troisième chapitre présente une nouvelle méthode visuelle appliquée afin de tracer l’évolution de structures de conception complexes dans des logiciels (modélisés par des réseaux). Ainsi, dans le premier prototype (TreeMatrix), des parties de graphes sont montrées avec des matrices et des diagrammes noeuds-liens, alors que les arborescences sont représentées par des diagrammes en glaçons et des regroupements. Contrairement aux autres visualisations dans la littérature, cette nouvelle technique aide à montrer des réseaux denses, sans nuire à la compréhension des liens à plus haut niveau. Une expérience avec des utilisateurs a montré certains avantages afin de découvrir et organiser les liens de modules au sein d’un logiciel, en comparaison avec le logiciel commercial Lattix. Nous avons également combiné des approches de manière novatrice pour notre second prototype (DiffAni) afin de visualiser des réseaux qui évoluent dans le temps. DiffAni est le premier hybride interactif de graphes dynamiques et sa validation avec des participants a permis de faire ressortir certains avantages. Ainsi, l’utilisation d’animation doit être modérée et est surtout utile lors de mouvements significatifs. Ces résultats, avec nos taxonomies, pourraient contribuer à guider la création de nouveaux hybrides dans le futur. Le troisième prototype (IHVis) a facilité l’exploration et le traçage de structures de conception dans des logiciels en évolution (modélisés par des réseaux) à partir de répertoires de code source. Cette nouvelle visualisation a notamment révélé des cas d’introduction de points de stabilité et des refactorings, et certains participants ont aussi trouvé d’autres informations intéressantes, telles que l’extension de fonctionnalités par l’implémentation d’interfaces. En résumé, cette thèse présente des façons novatrices et utiles de visualiser des réseaux complexes et dynamiques. Nos principales contributions sont (1) l’exploration d’espaces de conception de nouvelles visualisations de réseaux à l’aide de taxonomies, (2) la conception de prototypes combinant des approches pour visualiser des réseaux hiérarchiques et dynamiques, (3) la conception d’une nouvelle méthode visuelle d’exploration des variations et des instabilités au sein de logiciels en évolution, (4) l’évaluation de ces techniques à l’aide d’expériences avec des participants

Analyse du comportement des programmes à l'aide des matrices d'adjacence

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

Gestion et visualisation de données hétérogènes multidimensionnelles : application PLM à la neuroimagerie

Neuroimaging domain is confronted with issues in analyzing and reusing the growing amount of heterogeneous data produced. Data provenance is complex – multi-subjects, multi-methods, multi-temporalities – and the data are only partially stored, restricting multimodal and longitudinal studies. Especially, functional brain connectivity is studied to understand how areas of the brain work together. Raw and derived imaging data must be properly managed according to several dimensions, such as acquisition time, time between two acquisitions or subjects and their characteristics. The objective of the thesis is to allow exploration of complex relationships between heterogeneous data, which is resolved in two parts : (1) how to manage data and provenance, (2) how to visualize structures of multidimensional data. The contribution follow a logical sequence of three propositions which are presented after a research survey in heterogeneous data management and graph visualization.The BMI-LM (Bio-Medical Imaging – Lifecycle Management) data model organizes the management of neuroimaging data according to the phases of a study and takes into account the scalability of research thanks to specific classes associated to generic objects. The application of this model into a PLM (Product Lifecycle Management) system shows that concepts developed twenty years ago for manufacturing industry can be reused to manage neuroimaging data. GMDs (Dynamic Multidimensional Graphs) are introduced to represent complex dynamic relationships of data, as well as JGEX (Json Graph EXchange) format that was created to store and exchange GMDs between software applications. OCL (Overview Constraint Layout) method allows interactive and visual exploration of GMDs. It is based on user’s mental map preservation and alternating of complete and reduced views of data. OCL method is applied to the study of functional brain connectivity at rest of 231 subjects that are represented by a GMD – the areas of the brain are the nodes and connectivity measures the edges – according to age, gender and laterality : GMDs are computed through processing workflow on MRI acquisitions into the PLM system. Results show two main benefits of using OCL method : (1) identification of global trends on one or many dimensions, and (2) highlights of local changes between GMD states.La neuroimagerie est confrontée à des difficultés pour analyser et réutiliser la masse croissante de données hétérogènes qu’elle produit. La provenance des données est complexe – multi-sujets, multi-analyses, multi-temporalités – et ces données ne sont stockées que partiellement, limitant les possibilités d’études multimodales et longitudinales. En particulier, la connectivité fonctionnelle cérébrale est analysée pour comprendre comment les différentes zones du cerveau travaillent ensemble. Il est nécessaire de gérer les données acquises et traitées suivant plusieurs dimensions, telles que le temps d’acquisition, le temps entre les acquisitions ou encore les sujets et leurs caractéristiques. Cette thèse a pour objectif de permettre l’exploration de relations complexes entre données hétérogènes, ce qui se décline selon deux axes : (1) comment gérer les données et leur provenance, (2) comment visualiser les structures de données multidimensionnelles. L’apport de nos travaux s’articule autour de trois propositions qui sont présentées à l’issue d’un état de l’art sur les domaines de la gestion de données hétérogènes et de la visualisation de graphes.Le modèle de données BMI-LM (Bio-Medical Imaging – Lifecycle Management) structure la gestion des données de neuroimagerie en fonction des étapes d’une étude et prend en compte le caractère évolutif de la recherche grâce à l’association de classes spécifiques à des objets génériques. L’implémentation de ce modèle au sein d’un système PLM (Product Lifecycle Management) montre que les concepts développés depuis vingt ans par l’industrie manufacturière peuvent être réutilisés pour la gestion des données en neuroimagerie. Les GMD (Graphes MultidimensionnelsDynamiques) sont introduits pour représenter des relations complexes entre données qui évoluent suivant plusieurs dimensions, et le format JGEX (Json Graph EXchange) a été créé pour permettre le stockage et l’échange de GMD entre applications. La méthode OCL (Overview Constraint Layout) permet l’exploration visuelle et interactive de GMD. Elle repose sur la préservation partielle de la carte mentale de l’utilisateur et l’alternance de vues complètes et réduites des données. La méthode OCL est appliquée à l’étude de la connectivité fonctionnelle cérébrale au repos de 231 sujets représentées sous forme de GMD – les zones du cerveau sont représentées par les noeuds et les mesures de connectivité par les arêtes – en fonction de l’âge, du genre et de la latéralité : les GMD sont obtenus par l’application de chaînes de traitement sur des acquisitions IRM dans le système PLM. Les résultats montrent deux intérêts principaux à l’utilisation de la méthode OCL : (1) l’identification des tendances globales sur une ou plusieurs dimensions et (2) la mise en exergue des changements locaux entre états du GMD

Modélisation formelle de systèmes dynamiques autonomes : graphe, réécriture et grammaire

Modern, large-scale systems are deployed in changing environments. They must dynamically adapt to context changes. In this scope, autonomic computing aims at reducing (or even suppress) slow and costly human interventions, by making systems achieve self-management. Self-adaptability of a system is primarily based on a suitable description of its components, their interactions and the various states it can adopt. Various mod! eling approaches have been elaborated, notably based on architecture description languages (ADLs) or generic models (e.g., UML, graphs). These representations usually focus on some aspects or properties of dynamic systems and do not tackle each of self-management's requirements. This manuscript deals with graph-based representations of dynamic systems and their suitability for the implementation of autonomic computing's four fundamental properties : self-optimization, self-protection, self-healing and self-configuring. This thesis offers four principal theoretical and applied contributions The first one is a methodology for the construction and generative characterization of transformations correct by construction whose application necessarily preserves a system's correctness. An application can therefore efficiently remains in an acceptable state while evolving. The second one consists in an extension of graph rewriting systems allowing to easily and efficiently represent, update, evaluate and configure a system's characteristics. These claims are supported by concrete example relying on DIET, a distributed and hierarchical load balancer. An experimental study reveals a significant efficiency gain with regard to classical methods, in particular those integrated to AGG and GMTE. The third contribution is articulated around the design of an end-to-end manager for complex events processing requests. It demonstrates the interest of graphs as an abstract, high-level, representation in an applicative context comprising numerous fragmented technical solutions. The fourth and last one relies on the design of an autonomic manager for any Machine-to-Machine system complying to the ETSI M2M2 standard. It illustrates the methodology for correct transformations, but also the integration of the proposed representation within a multi-model approach including internal consistency concerns. The approach's feasibility is experimentally demonstrated using a smart metering application.Les systèmes distribués modernes à large-échelle évoluent dans des contextes variables soumis à de nombreux aléas auxquels ils doivent s'adapter dynamiquement. Dans ce cadre, l'informatique autonome se propose de réduire (voire supprimer) les interventions humaines lentes et coûteuse, en leur préférant l'auto-gestion. L'adaptabilité autonome d'un système repose avant tout sur une description adéquate de ses composants, de leurs interactions et des différents aspects ou topologies qu’il peut adopter. Diverses approches de modélisation ont étés proposées dans la littérature, basées notamment sur des langages de descriptions spécifiques (e.g., les ADLs) ou des modèles génériques plus ou moins formels (e.g., profils UML, graphes). Ces représentations se concentrent en général sur certains aspects ou propriétés du système dynamique et ne permettent ainsi pas de répondre à chacune des problématiques inhérentes à l'auto-gestion. Cette thèse traite de la modélisation basée graphes des systèmes dynamiques et de son adéquation pour la mise en œuvre des quatre propriétés fondamentales de l'informatique autonome : l'auto-optimisation, l'auto-protection, l'auto-guérison et l'auto-configuration. Cette thèse propose quatre principales contributions théoriques et appliquées. La première est une méthodologie pour la construction et la caractérisation générative de transformations correctes par construction dont l'application préserve nécessairement la correction du système. Le maintien d'une application dans un état acceptable peut ainsi être efficacement garanti lors de son adaptation. La seconde contribution consiste en une extension des systèmes de réécriture de graphe permettant de représenter, mettre à jour, évaluer et paramétrer les caractéristiques d'un système aisément et efficacement. Ces affirmations sont soutenues par des exemples illustratifs concrets reposant sur DIET, un répartiteur de charge distribué. Une étude expérimentale extensive révèle un net gain d'efficacité vis à vis de méthodes classiques, en particulier celles intégrées nativement aux outils AGG et GMTE. La troisième contribution s'articule autour de l'élaboration d'un module de gestion de bout en bout pour des requêtes de traitement d'événements complexes. Elle démontre l'intérêt des graphes en tant que représentation abstraite et haut niveau dans un contexte applicatif comprenant de multiples solutions fragmentées. La quatrième et dernière contribution réside dans le design d'un gestionnaire autonome apte à régenter tout système Machine-à-Machine se conformant au standard ETSI M2M. Elle illustre la méthodologie relative à la correction par construction, mais également l'intégration de la représentation proposée à des approches multi-modèles incluant des problématiques de cohérence interne. La faisabilité de l'approche est démontrée expérimentalement en s'appuyant sur une application de compteur intelligent pour la domotique

Un Modèle de Vue Spatiale pour une Représentation Flexible de Données Géographiques

The objective of this study is to provide a dynamic spatial view model to Geographical Information Systems. The notion of spatial view allows independent external interpretations of a database schema i.e. the representation of geographical data according to different point of views and in function of objectives which may be distinct from those of the database schema. As no view definition has been offered for spatial data, this research proposes the definition of a view formalism for spatial databases.The model we develop is defined as an extension of the classic database view. Spatial views model both alphanumeric and spatial data. A spatial view is defined an ordered set of spatial view atoms. Each atom is a set of database relations, a set of conventional spatial and non spatial database operators. Manipulations of views allow the derivation of new views according to specific needs. They are realized with a set of identified operators. The spatial view model integrates structured and cognitive spatial representations. The proposal defines a model and operations that allow the decomposition and representation of navigation knowledge. The spatial view allows a displacement action to be situated within its geographical context through complementary abstraction levels that accept partial knowledge. It associates the description of a route with related multidimensional spaces including significant symbolic landmarks and textual descriptions. Continuity of route representation is ensured by the graph concept applied to spatial views and spatial collage spatially materialized by connections. A route trace in each spatial view spaces is described by a section. Graph operators allow abstraction level changes within the route representation.The spatial view concept provides a relative flexibility to compose a land representation adapted to user needs. From the external modeling point of view, the spatial view concept enables representation of different, numerous database schema interpretations which are inevitable in GIS applications. By extension, it facilitates schema evolution by allowing external representations which do not directly affect the original database schema. For geographic applications, spatial views gives an original solution for database consultation and manipulation tasksL'objectif de cette étude est la définition d'un modèle de vue spatiale dynamique adapté aux Systèmes d'Information Géographiques. La notion de vue spatiale proposée permet une relative indépendance dans l'interprétation d'un schéma de base de données spatiales à savoir la représentation de données géographiques selon différents points de vues et en fonction d'objectifs distincts de ceux du schéma d'origine. Les mécanismes classiques de vue, dans le domaine des bases de données, n'intégrant pas la composante spatiale, cette recherche propose la définition d'un formalisme de vue adapté aux bases de données spatiales.Le modèle proposé est défini comme une extension de la vue classique telle qu'elle est identifiée par les bases de données. Le modèle de vue spatiale intègre la représentation de données spatiales et non spatiales. Une vue spatiale est un ensemble ordonné d'atomes de vue spatiale. Chaque atome de vue spatiale est construit à partir de relations et d'opérateurs spatiaux et non spatiaux. Un ensemble d'opérateurs de manipulation de vues spatiales est défini. Ces opérateurs permettent la manipulation et la dérivation de nouvelles vues spatiales.La vue spatiale autorise la représentation de modèles spatiaux structurés et cognitifs. La proposition définit un modèle et les opérations qui permettent la décomposition et la représentation d'un processus de déplacement. Le modèle de vue spatiale permet de situer la représentation d'un déplacement dans son contexte géographique à partir de niveaux d'abstraction complémentaires qui intègrent des connaissances partielles. Il associe la description d'un processus de déplacement dans un contexte d'espaces multi-dimensionels. La continuité de la représentation d'un déplacement est assurée par l'application de constructeurs de graphe appliqués au cadre de la vue spatiale à travers des concepts de collages et de connexions de vues spatiales. L'application d'opérateurs de graphe permet des changements de niveau d'abstraction dans la représentation des processus navigationnels.La vue spatiale apporte une flexibilité aux utilisateurs dans la représentation de données géographiques. Du point de vue de la modélisation, la vue spatiale permet la représentation de différentes interprétations utilisateurs d'une base de données spatiales. Par extension, la vue spatiale facilite l'évolution du schéma des bases de données spatiales. Elle constitue une forme originale de manipulation et de consultation d'applications géographiques

L'AIS : une donnée pour l'analyse des activités en mer

4 pages, session "Mer et littoral"International audienceCette contribution présente des éléments méthodologiques pour la description des activités humaines en mer dans une perspective d'aide à la gestion. Différentes procédures, combinant l'exploitation de bases de données spatio-temporelles issue de données AIS archivées à des analyses spatiales au sein d'un SIG, sont testées afin de caractériser le transport maritime en Mer d'Iroise (Bretagne, France) sur les plans spatiaux, temporels et quantitatifs au cours d'une année

Une approche pour supporter l'analyse qualitative des suites d'actions dans un environnement géographique virtuel et dynamique : l'analyse " What-if " comme exemple

Nous proposons une approche basée sur la géosimulation multi-agent et un outil d’aide à la décision pour supporter l’analyse « What-if » durant la planification des suites d’actions (plans) dans un environnement géographique dynamique. Nous présentons les caractéristiques du raisonnement « What-if » en tant 1) que simulation mentale 2) suivant un processus en trois étapes et 3) basé sur du raisonnement causal qualitatif. Nous soulignons les limites de la cognition humaine pour appliquer ce raisonnement dans le cadre de la planification des suites d’actions dans un environnement géographique dynamique et nous identifions les motivations de notre recherche. Ensuite, nous présentons notre approche basée sur la géosimulation multi-agent et nous identifions ses caractéristiques. Nous traitons en particulier trois problématiques majeures. La première problématique concerne la modélisation des phénomènes géographiques dynamiques. Nous soulignons les limites des approches existantes et nous présentons notre modèle basé sur le concept de situation spatio-temporelle que nous représentons en utilisant le formalisme de graphes conceptuels. En particulier, nous présentons comment nous avons défini ce concept en nous basant sur les archétypes cognitifs du linguiste J-P. Desclés. La deuxième problématique concerne la transformation des résultats d’une géosimulation multi-agent en une représentation qualitative exprimée en termes de situations spatio-temporelles. Nous présentons les étapes de traitement de données nécessaires pour effectuer cette transformation. La troisième problématique concerne l’inférence des relations causales entre des situations spatio-temporelles. En nous basant sur divers travaux traitant du raisonnement causal et de ses caractéristiques, nous proposons une solution basée sur des contraintes causales spatio-temporelles et de causalité pour établir des relations de causation entre des situations spatio-temporelles. Finalement, nous présentons MAGS-COA, une preuve de concept que nous avons implémentée pour évaluer l’adéquation de notre approche comme support à la résolution de problèmes réels. Ainsi, les principales contributions de notre travail sont: 1- Une approche basée sur la géosimulation multi-agent pour supporter l’analyse « What-if » des suites d’actions dans des environnements géographiques virtuels. 2- L’application d’un modèle issu de recherches en linguistique à un problème d’intérêt pour la recherche en raisonnement spatial. 3- Un modèle qualitatif basé sur les archétypes cognitifs pour modéliser des situations dynamiques dans un environnement géographique virtuel. 4- MAGS-COA, une plateforme de simulation et d’analyse qualitative des situations spatio-temporelles. 5- Un algorithme pour l’identification des relations causales entre des situations spatio-temporelles.We propose an approach and a tool based on multi-agent geosimulation techniques in order to support courses of action’s (COAs) “What if” analysis in the context of dynamic geographical environments. We present the characteristics of “What if” thinking as a three-step mental simulation process based on qualitative causal reasoning. We stress humans’ cognition limits of such a process in dynamic geographical contexts and we introduce our research motivations. Then we present our multi-agent geosimulation-based approach and we identify its characteristics. We address next three main problems. The first problem concerns modeling of dynamic geographical phenomena. We stress the limits of existing models and we present our model which is based on the concept of spatio-temporal situations. Particularly, we explain how we define our spatio-temporal situations based on the concept of cognitive archetypes proposed by the linguist J-P. Desclés. The second problem consists in transforming the results of multi-agent geosimulations into a qualitative representation expressed in terms of spatio-temporal situations and represented using the conceptual graphs formalism. We present the different steps required for such a transformation. The third problem concerns causal reasoning about spatio-temporal situations. In order to address this problem, we were inspired by works of causal reasoning research community to identify the constraints that must hold to identify causal relationships between spatio-temporal situations. These constraints are 1) knowledge about causality, 2) temporal causal constraints and 3) spatial causal constraints. These constraints are used to infer causal relationships among the results of multi-agent geosimulations. Finally, we present MAGS-COA, a proof on concept that we implemented in order to evaluate the suitability of our approach as a support to real problem solving. The main contributions of this thesis are: 1- An approach based on multi-agent geosimulation to support COA’s “What if” analysis in the context of virtual geographic environments. 2- The application of a model proposed in the linguistic research community to a problem of interest to spatial reasoning research community. 3- A qualitative model based on cognitive archetypes to model spatio-temporal situations. 4- MAGS-COA, a platform of simulation and qualitative analysis of spatio-temporal situations. 5- An algorithm to identify causal relationships between spatio-temporal situations