Contribution informatique en sciences pour l'environnement

Ce document propose de détailler mes activités scientifiques en vue d’obtention de l’Habilitation à Diriger des Recherches. Après un CV détaillé, on y retrouve un résumé des travaux de recherche et d’encadrement, les charges d’enseignement occupées, les fonctions d’intérêt collectif exercées, une liste exhaustive des publications, mes activités de recherche et une conclusion générale. La première période correspondant à mes activités de recherche a débuté au sein de l'équipe "Modélisation et Simulation" et concerne l'application de techniques de test de logiciel pour des descriptions de circuit électroniques décrits avec le langage VHDL. Il s'agit d'un langage de programmation utilisé dans l'industrie et permettant de modéliser et simuler des circuits électroniques mais aussi de les synthétiser, c'est à dire obtenir une description en terme de portes logiques de ceux-ci en vue de leur fabrication. Une fois synthétisé, il devient impossible de tester de façon exhaustive un circuit électronique en un temps raisonnable. En effet, le circuit électronique alors constitué de millions de portes logiques, contient un nombre de chemins à tester et donc à parcourir trop important pour tous les parcourir. Mon travail de recherche s'est ainsi focalisé sur la génération automatique de jeux de test à partir de descriptions écrites en VHDL. Ce type de description étant similaire à un programme, nous avonsexploré des techniques utilisées dans le domaine du test de logiciels.La seconde période fait suite à un changement d’équipe opéré en 2005. En effet, j’ai eu l’opportunité de m’investir dans deux thématiques propres à l’étude des systèmes énergétiques à sources d’Energies Renouvelables (EnR) et leur intégration dans les réseaux électriques insulaires, comme celui de la Corse. Au sein de l’équipe EnR de l'UMR 6134 j'ai pu développer des travaux de recherche au niveau de deux axes principaux.Le premier concerne la modélisation et la prédiction de phénomènes spatiotemporels. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l’utilisation des réseaux de neurones artificiels appartenant aux techniques d'intelligence artificielle. Nous les avons principalement utilisées dans le cadre de la prédiction de séries temporelles d’ensoleillement et de pics de pollution atmosphérique. Nous avons étudié tout d'abord l'impact de prétraitements statistiques des séries temporelles sur la performance de prédicteurs. Aussi, au vue du nombre important de données dontnous disposions, nous avons étudié différentes méthodes de sélection de caractéristiques (ou de variables) avec l'objectif d'obtenir le modèle le plusperformant mais aussi le plus simple possible (principe de parcimonie). Enfin, lors de la comparaison de performance entre notre modèle et différentes méthodes de prédictions ("benchmarking" en anglais), nous avons constaté un chevauchement de celles-ci suivant l'horizon considéré. Nous avons alors étudié comment les hybrider, technique qui entre dans le cadre de la problématique plus large de la sélection de modèles. Une étude sur l'extension de ces méthodes pour les séries temporelles de vitesse de vent a été initiée et sera évoquée en perspectives dans la conclusion de ce mémoire. Enfin et plus récemment nous avons démarré des travaux concernant l'estimation de potentiel solaire également à l'aide réseaux de neurones artificiels. Il s'agit cette fois, non pas de prédire, mais d'estimer le rayonnement solaire incliné à partir du rayonnement solaire global horizontal et d'autres variables météorologiques disponibles.Le second axe propose d'étudier l’apport des langages informatiques de représentation des connaissances pour représenter la connaissance produite tout au long des processus d'aide à la décision. Des projets tels que les centrales photovoltaïques ou encore les fermes éoliennes constituent des exemples significatifs de processus de décision extrêmement complexe, difficile et conflictuel

Modélisation d'un outil graphique d'aide à la compréhension de résolution de programmes logiques

Ce projet de recherche traite du domaine de l’intelligence artificielle, plus précisément de la programmation logique, un type de programmation utilisée pour concevoir des systèmes dits intelligents. Ce type de programmation est toutefois assez complexe à assimiler et il n’existe, à notre connaissance, aucun outil interactif qui permette de montrer efficacement le processus d’exécution d’un programme logique. L’objectif de cette recherche consistait donc à proposer un modèle d’outil facilitant la compréhension de la résolution d’un programme logique. Le modèle proposé permet de représenter graphiquement et dynamiquement la trace de résolution d’un programme logique. Un prototype a été construit pour valider ce modèle avec des programmes écrits en langage Prolog. L’utilisateur peut ainsi suivre les étapes d’exécution à travers l’affichage dynamique d’un arbre de dérivation. Actuellement, le modèle ne permet pas de prendre en compte des programmes écrits avec différents langages de programmation, une telle généralisation serait une bonne amélioration

Utilisation du cadre théorique de la planification pour la conception d'algorithmes complexes par des élèves de lycée

Ce travail utilise les cadres théoriques de la planification en psychologie de la programmation et de la théorie des situations pour étudier la conception d'algorithmes par des élèves de lycée. Une attention particulière est portée dans les situations d'apprentissages à la part du travail de conception laissé à la charge de l'élève. L'étude est menée autour de l'algorithme de Kaprekar, choisi parce que son codage en langage algorithmique impose une démarche de planification, à la différence de l’exécution manuelle. Une première partie du mémoire étudie des ressources existantes proposant des situations d'apprentissage en classe de mathématiques en lycée autour de l'algorithme de Kaprekar. Elle montre comment le travail à la charge des élèves est souvent réduit, par absence de prise en compte de la planification. Une seconde partie propose et analyse a priori une situation d'apprentissage puis exploite une expérimentation. Elle montre comment un découpage de la situation en phases alternant discussion collective animée par le professeur et travail en groupe permet de laisser aux élèves la responsabilité de l'élaboration d'un plan et de modules

Formalisation et comparaison cognitives de modèles mentaux de novices et d'experts en situation de résolution de problèmes

Cette étude a pour objectif de développer des méthodes formelles pour représenter et comparer les modèles mentaux des novices et des experts en situations [i.e. situation] de résolution de problèmes dans le but de faire progresser les connaissances de l'apprenant et ses stratégies de résolution de problèmes vers celles de l'expert. Pour cela notre étude aborde quatre domaines: la psychologie cognitive, la didactique des sciences, l'intelligence artificielle et le génie cognitif. Nous proposons un formalisme de représentations des modèles mentaux basé sur la description du problème tel qu'il est vu par l'apprenant d'une part et par l'expert d'autre part. Le même formalisme permet de couvrir l'étendue de la gamme d'expertise allant du novice à l'expert. La stratégie de résolution du problème est donnée en termes de description des objets (variables et concepts théoriques), des actions (résolution, consultation et unification) et des dépendances (conditions et propriétés) utiles à la résolution du problème posé. En se basant sur ce formalisme, nous proposons également un processus de validation de la représentation mentale de l'apprenant en regard de celle donnée par l'expert. Ce processus analyse la cohérence interne des descriptions traduisant une représentation mentale, il exécute la représentation mentale en explorant les imbrications des descriptions et enfin il analyse la concordance entre la description donnée par l'apprenant et celle donnée par l'expert. Si des divergences sont observées, le processus émet des hypothèses quant à la cause possible des confusions et ceci afin d'identifier les notions manquantes ainsi que les conceptions erronées de l'apprenant. Ces critères traduisent des résultats issus de la théorie de la psychologie cognitive. Nous avons mis au point un prototype informatique qui intègre le formalisme et le processus de validation proposés. Ce prototype analyse les représentations mentales formalisées en tirant profit de techniques d'intelligence artificielle comme les cadres conceptuels, les réseaux sémantiques, les règles de production et différents types de moteurs d'inférences. La validation du prototype a été effectuée à l'aide de problèmes simples et variés, pour lesquels nous avons formalisé des représentations mentales hypothétiques d'apprenants et d'experts