Letteratura scientifica selezionata sul tema "Apprentissage automatique continu et distribué"

Le développement rapide des technologies matérielles, logicielles et de communication des systèmes de transport ont apporté des opportunités prometteuses et aussi des défis importants pour la société humaine. Parallèlement à l'amélioration de la qualité des transports, l'augmentation du nombre de véhicules a entraîné de fréquents embouteillages, en particulier dans les grandes villes aux heures de pointe. Les embouteillages ont de nombreuses conséquences sur le coût économique, l'environnement, la santé mentale des conducteurs et la sécurité routière. Il est donc important de prévoir la dynamique du trafic et d'anticiper l'apparition des embouteillages, afin de prévenir et d'atténuer les situations de trafic perturbées, ainsi que les collisions dangereuses à la fin de la queue d'un embouteillage. De nos jours, les technologies innovatives des systèmes de transport intelligents ont apporté des ensembles de données diverses et à grande échelle sur le trafic qui sont continuellement collectées et transférées entre les dispositifs sous forme de flux de données en temps réel. Par conséquent, de nombreux services de systèmes de transport intelligents ont été développés basé sur l'analyse de données massives, y compris la prévision du trafic. Cependant, le trafic contient de nombreux facteurs variés et imprévisibles qui rendent la modélisation, l'analyse et l'apprentissage de l'évolution historique du trafic difficiles. Le système que nous proposons vise donc à remplir les cinq composantes suivantes d'un système de prévision du trafic : textbf{analyse temporelle, analyse spatiale, interprétabilité, analyse de flux et adaptabilité à plusieurs échelles de données} pour capturer les patterns historiques de trafic à partir des flux de données, fournir une explication explicite de la causalité entrée-sortie et permettre différentes applications avec divers scénarios. Pour atteindre les objectifs mentionnés, nous proposons un modèle d'agent basé sur le clustering dynamique et la théorie des systèmes multi-agents adaptatifs afin de fournir des mécanismes d'apprentissage continu et de prédiction coopérative. Le modèle d'agent proposé comprend deux processus interdépendants fonctionnant en parallèle : textbf{apprentissage local continu} et textbf{prédiction coopérative}. Le processus d'apprentissage vise à détecter, au niveau de l'agent, différents états représentatifs à partir des flux de données reçus. Basé sur le clustering dynamique, ce processus permet la mise à jour continue de la base de données d'apprentissage en s'adaptant aux nouvelles données. Simultanément, le processus de prédiction exploite la base de données apprise, dans le but d'estimer les futurs états potentiels pouvant être observés. Ce processus prend en compte l'analyse de la dépendance spatiale en intégrant la coopération entre les agents et leur voisinage. Les interactions entre les agents sont conçues sur la base de la théorie AMAS avec un ensemble de mécanismes d'auto-adaptation comprenant textbf{l'auto-organisation}, textbf{l'autocorrection} et textbf{l'auto-évolution}, permettant au système d'éviter les perturbations, de gérer la qualité de la prédiction et de prendre en compte les nouvelles informations apprises dans le calcul de la prédiction. Les expériences menées dans le contexte de la prévision de la dynamique du trafic évaluent le système sur des ensembles de données générées et réelles à différentes échelles et dans différents scénarios. Les résultats obtenus ont montré la meilleure performance de notre proposition par rapport aux méthodes existantes lorsque les données de trafic expriment de fortes variations. En outre, les mêmes conclusions retirées de différents cas d'étude renforcent la capacité du système à s'adapter à des applications multi-échelles
Le développement rapide des technologies matérielles, logicielles et de communication des systèmes de transport ont apporté des opportunités prometteuses et aussi des défis importants pour la société humaine. Parallèlement à l'amélioration de la qualité des transports, l'augmentation du nombre de véhicules a entraîné de fréquents embouteillages, en particulier dans les grandes villes aux heures de pointe. Les embouteillages ont de nombreuses conséquences sur le coût économique, l'environnement, la santé mentale des conducteurs et la sécurité routière. Il est donc important de prévoir la dynamique du trafic et d'anticiper l'apparition des embouteillages, afin de prévenir et d'atténuer les situations de trafic perturbées, ainsi que les collisions dangereuses à la fin de la queue d'un embouteillage. De nos jours, les technologies innovatives des systèmes de transport intelligents ont apporté des ensembles de données diverses et à grande échelle sur le trafic qui sont continuellement collectées et transférées entre les dispositifs sous forme de flux de données en temps réel. Par conséquent, de nombreux services de systèmes de transport intelligents ont été développés basé sur l'analyse de données massives, y compris la prévision du trafic. Cependant, le trafic contient de nombreux facteurs variés et imprévisibles qui rendent la modélisation, l'analyse et l'apprentissage de l'évolution historique du trafic difficiles. Le système que nous proposons vise donc à remplir les cinq composantes suivantes d'un système de prévision du trafic : textbf{analyse temporelle, analyse spatiale, interprétabilité, analyse de flux et adaptabilité à plusieurs échelles de données} pour capturer les patterns historiques de trafic à partir des flux de données, fournir une explication explicite de la causalité entrée-sortie et permettre différentes applications avec divers scénarios. Pour atteindre les objectifs mentionnés, nous proposons un modèle d'agent basé sur le clustering dynamique et la théorie des systèmes multi-agents adaptatifs afin de fournir des mécanismes d'apprentissage continu et de prédiction coopérative. Le modèle d'agent proposé comprend deux processus interdépendants fonctionnant en parallèle : textbf{apprentissage local continu} et textbf{prédiction coopérative}. Le processus d'apprentissage vise à détecter, au niveau de l'agent, différents états représentatifs à partir des flux de données reçus. Basé sur le clustering dynamique, ce processus permet la mise à jour continue de la base de données d'apprentissage en s'adaptant aux nouvelles données. Simultanément, le processus de prédiction exploite la base de données apprise, dans le but d'estimer les futurs états potentiels pouvant être observés. Ce processus prend en compte l'analyse de la dépendance spatiale en intégrant la coopération entre les agents et leur voisinage. Les interactions entre les agents sont conçues sur la base de la théorie AMAS avec un ensemble de mécanismes d'auto-adaptation comprenant textbf{l'auto-organisation}, textbf{l'autocorrection} et textbf{l'auto-évolution}, permettant au système d'éviter les perturbations, de gérer la qualité de la prédiction et de prendre en compte les nouvelles informations apprises dans le calcul de la prédiction. Les expériences menées dans le contexte de la prévision de la dynamique du trafic évaluent le système sur des ensembles de données générées et réelles à différentes échelles et dans différents scénarios. Les résultats obtenus ont montré la meilleure performance de notre proposition par rapport aux méthodes existantes lorsque les données de trafic expriment de fortes variations. En outre, les mêmes conclusions retirées de différents cas d'étude renforcent la capacité du système à s'adapter à des applications multi-échelles

L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes d'apprentissage adaptés aux grandes masses de données. Dans un premier temps, nous considérons le problème de la classification avec un grand nombre de classes. Afin d'obtenir un algorithme adapté à la grande dimension, nous proposons un algorithme qui transforme le problème multi-classes en un problème de classification binaire que nous sous-échantillonnons de manière drastique. Afin de valider cette méthode, nous fournissons une analyse théorique et expérimentale détaillée.Dans la seconde partie, nous approchons le problème de l'apprentissage sur données distribuées en introduisant un cadre asynchrone pour le traitement des données. Nous appliquons ce cadre à deux applications phares : la factorisation de matrice pour les systèmes de recommandation en grande dimension et la classification binaire
This thesis focuses on developing scalable algorithms for large scale machine learning. In this work, we present two perspectives to handle large data. First, we consider the problem of large-scale multiclass classification. We introduce the task of multiclass classification and the challenge of classifying with a large number of classes. To alleviate these challenges, we propose an algorithm which reduces the original multiclass problem to an equivalent binary one. Based on this reduction technique, we introduce a scalable method to tackle the multiclass classification problem for very large number of classes and perform detailed theoretical and empirical analyses.In the second part, we discuss the problem of distributed machine learning. In this domain, we introduce an asynchronous framework for performing distributed optimization. We present application of the proposed asynchronous framework on two popular domains: matrix factorization for large-scale recommender systems and large-scale binary classification. In the case of matrix factorization, we perform Stochastic Gradient Descent (SGD) in an asynchronous distributed manner. Whereas, in the case of large-scale binary classification we use a variant of SGD which uses variance reduction technique, SVRG as our optimization algorithm

Nous proposons donc un modèle original d'apprentissage constructiviste adapté pour un système d'AmI. Ce modèle repose sur une approche décentralisée, permettant de multiples implémentations convenant à un environnement hétérogène. Dans les environnements réels continus sans modélisation à priori, se pose la question de la modélisation des structures élémentaires de représentation et particulièrement le problème d'amorçage de l'apprentissage sensorimoteur (comme décrit par [Kuipers06]). Dans le cadre du modèle général proposé, nous explicitons ce problème particulier et proposons de le traiter comme une forme d'auto-organisation modélisée par un système multi-agent. Cette approche permet de construire des motifs d'interaction élémentaires à partir des seules données brutes, sur lesquels peut reposer la construction d'une représentation plus élaborée (voir [Mazac14]). Nous présentons enfin une série d'expérimentations illustrant la résolution de ce problème d'amorçage : tout d'abord grâce à un environnement simulé, qui permet de maitriser les régularités de l'environnement et autorise des expérimentations rapides ; ensuite en implémentant ce système d'apprentissage au sein d'un environnement d'AmI réel. Pour cela le modèle est intégré dans le système d'AmI développé par l'entreprise partenaire de cette thèse CIFRE. Puis nous présentons une possible application industrielle des résultats de cette première étape implémentée d'amorçage de l'apprentissage sensorimoteur. Nous concluons par l'analyse des résultats et des perspectives de ce type d'approche pour l'AmI et l'application en général de l'IA aux systèmes réels en environnements continus
The theory of cognitive development from Jean Piaget (1923) is a constructivist perspective of learning that has substantially influenced cognitive science domain. Within AI, lots of works have tried to take inspiration from this paradigm since the beginning of the discipline. Indeed it seems that constructivism is a possible trail in order to overcome the limitations of classical techniques stemming from cognitivism or connectionism and create autonomous agents, fitted with strong adaptation ability within their environment, modelled on biological organisms. Potential applications concern intelligent agents in interaction with a complex environment, with objectives that cannot be predefined. Like robotics, Ambient Intelligence (AmI) is a rich and ambitious paradigm that represents a high complexity challenge for AI. In particular, as a part of constructivist theory, the agent has to build a representation of the world that relies on the learning of sensori-motor patterns starting from its own experience only. This step is difficult to set up for systems in continuous environments, using raw data from sensors without a priori modelling.With the use of multi-agent systems, we investigate the development of new techniques in order to adapt constructivist approach of learning on actual cases. Therefore, we use ambient intelligence as a reference domain for the application of our approach

Dans cette thèse, nous proposons des méthodes de calcul approchées d'un score d'anomalie, pouvant être mises en oeuvre sur des flux de données pour détecter des portions anormales. La difficulté du problème est de deux ordres. D'une part, la haute dimensionnalité des objets manipulés pour décrire les séries temporelles extraites d'un flux brut, et d'autre part la nécessité de limiter le coût de détection afin de pouvoir la réaliser en continu au fil du flux. Concernant le premier aspect du problème, notre étude bibliographique a permis de sélectionner un score de détection d'anomalies proposé récemment, le score CFOF, qui est le seul pour lequel il existe des garanties formelles quant à son adéquation pour les données en haute dimensionnalité. Nos contributions ont alors porté sur la proposition de deux méthodes d'approximation du score CFOF pour permettre son usage en continu sur des flux. La première est une approche combinant élagage et approximation lors du parcours des voisinages dans l'espace de description des objets. Notre second apport est une approximation par agrégation de scores obtenus sur des sous-espaces, qui complète la première contribution et se combine avec elle. Nous avons montré sur une collection de jeux de données, utilisés comme cadre d'évaluation de référence dans le domaine, que nos méthodes permettaient des gains importants en temps de calcul, tout en fournissant des approximations qui préservent la qualité des détections. Enfin, nous présentons également l'application de ces approches au sein du système d'information de la SNCF dans lequel de nombreux flux sont collectés en temps réel, transformés et rediffusés. Dans ce contexte, nous avons étendu la supervision de bout-en-bout existante par la mise en oeuvre d'un outil d'aide à la détection d'anomalies sur le flux de messages entrant d'une des principales plateformes de traitement
In this thesis, we propose methods to approximate an anomaly score in order to detect abnormal parts in data streams. Two main problems are considered in this context. Firstly, the handling of the high dimensionality of the objects describing the time series extracted from the raw streams, and secondly, the low computation cost required to perform the analysis on-the-fly. To tackle the curse of dimensionality, we have selected the CFOF anomaly score, that has been proposed recently and proven to be robust to the increase of the dimensionality. Our main contribution is then the proposition of two methods to quickly approximate the CFOF score of new objects in a stream. The first one is based on safe pruning and approximation during the exploration of object neighbourhood. The second one is an approximation obtained by the aggregation of scores computed in several subspaces. Both contributions complete each other and can be combined. We show on a reference benchmark that our proposals result in important reduction of the execution times, while providing approximations that preserve the quality of anomaly detection. Then, we present our application of these approaches within the SNCF information system. In this context, we have extended the existing monitoring modules by a new tool to help to detect abnormal behaviours in the real stream of messages within the SNCF communication system

Le phénomène de décharges partielles (DP) est considéré comme l'une des principales causes de dégradation des matériaux isolants utilisés dans l’appareillage haute tension. La mesure de DP constitue un outil d’évaluation efficace pour le contrôle et le diagnostic des systèmes d’isolation électriques. Dans la perspective de stimuler le développement des énergies renouvelables, le transport de l’énergie électrique sous courant continu est économiquement avantageux. Cependant, la relation entre les caractéristiques des décharges partielles et l'état de dégradation de l'isolation des câbles sous haute tension continue (HVDC) n'est à ce jour, pas clairement établie. Dans cette thèse, une méthodologie a été développée pour la reconnaissance de l’état de dégradation des matériaux isolants à partir de la mesure de DP sous tension continue. Plusieurs dispositifs expérimentaux ont été conçus pour la mesure de DP au sein de différents types de câbles sous HVDC. Afin de collecter des signaux utiles au diagnostic des systèmes d’isolation, les signaux parasites doivent être éliminés. La discrimination des signaux de décharges partielles des signaux de bruit a été effectuée au sein de systèmes d’isolation électriques variés, à travers l’implémentation de méthodes d’apprentissage artificiel. Une fois les bases de données exemptes de signaux parasites, des techniques d’extraction, de classement et de sélection de variables, combinées à l’utilisation de méthodes de classification, ont été mises en œuvre pour la reconnaissance de l'état de dégradation des systèmes d'isolation électrique sous DC. Des scores de reconnaissance proches de 100% ont été obtenus
Partial discharges (PD) are one of the key drivers of degradation and ageing of insulating materials used in high-voltage switchgear. Consequently, partial discharges measurement has become an essential assessment tool for the monitoring of insulation systems. Given the continuing growth of renewable energy, the transport under direct current (DC) is economically advantageous. However, the relationship between partial discharges characteristics and the degradation of cables insulation under high voltage direct current (HVDC) remains unclear. In this work, a methodology is proposed for ageing state recognition of electrical insulation systems based on PD measurements under DC. For this purpose, original measuring devices have been developed and PD measurements were performed within different cable types under HVDC. In order to ensure a reliable monitoring and diagnosis of the insulation, noise signals must be eliminated. This thesis tackles the problem of the discrimination of partial discharge and noise signals acquired in different environments by applying machine learning methods. The techniques developed are a promising tool to improve the diagnosis of HV equipment under HVDC, where the need to discard automatically noise signals with high accuracy is of great importance. Once disturbances were eliminated from the databases, ageing state recognition was performed on different cable types. The feature extraction, ranking and selection methods, combined with classification techniques allowed to obtain recognition rates up to 100%

Pour résoudre des problèmes d'optimisation discret de type boîte noire, de nombreux algorithmes stochastiques tels que les algorithmes évolutionnaires ou les métaheuristiques existent et se révèlent particulièrement efficaces selon le problème à résoudre. En fonction des propriétés observées du problème, choisir l'algorithme le plus pertinent est un problème difficile. Dans le cadre original des environnements de calcul parallèle et distribué, nous proposons et analysons différentes stratégies adaptative de sélection d'algorithme d'optimisation. Ces stratégies de sélection reposent sur des méthodes d'apprentissage automatique par renforcement, issu du domaine de l'intelligence artificielle, et sur un partage d'information entre les noeuds de calcul. Nous comparons et analysons les stratégies de sélection dans différentes situations. Deux types d'environnement de calcul distribué synchrone sont abordés : le modèle en île et le modèle maître-esclave. Sur l'ensemble des noeuds de manière synchrone à chaque itération la stratégie de sélection adaptative choisit un algorithme selon l'état de la recherche de la solution. Dans une première partie, deux problèmes OneMax et NK, l'un unimodal et l'autre multimodal, sont utilisés comme banc d'essai de ces travaux. Ensuite, pour mieux saisir et améliorer la conception des stratégies de sélection adaptatives, nous proposons une modélisation du problème d'optimisation et de son opérateur de recherche locale. Dans cette modélisation, une caractéristique importante est le gain moyen d'un opérateur en fonction de la fitness de la solution candidate. Le modèle est utilisé dans le cadre synchrone du modèle maître-esclave. Une stratégie de sélection se décompose en trois composantes principales : l'agrégation des récompenses échangées, la technique d'apprentissage et la répartition des algorithmes sur les noeuds de calcul. Dans une dernière partie, nous étudions trois scénarios et nous donnons des clés de compréhension sur l'utilisation pertinente des stratégies de sélection adaptative par rapport aux stratégies naïves. Dans le cadre du modèle maître-esclave, nous étudions les différentes façons d'agréger les récompenses sur le noeud maître, la répartition des algorithmes d'optimisation sur les noeuds de calcul et le temps de communication. Cette thèse se termine par des perspectives pour le domaine de l'optimisation stochastique adaptative distribuée
To solve discrete optimization problems of black box type, many stochastic algorithms such as evolutionary algorithms or metaheuristics exist and prove to be particularly effective according to the problem to be solved. Depending on the observed properties of the problem, choosing the most relevant algorithm is a difficult problem. In the original framework of parallel and distributed computing environments, we propose and analyze different adaptive optimization algorithm selection strategies. These selection strategies are based on reinforcement learning methods automatic, from the field of artificial intelligence, and on information sharing between computing nodes. We compare and analyze selection strategies in different situations. Two types of synchronous distributed computing environment are discussed : the island model and the master-slave model. On the set of nodes synchronously at each iteration, the adaptive selection strategy chooses an algorithm according to the state of the search for the solution. In the first part, two problems OneMax and NK, one unimodal and the other multimodal, are used as benchmarks for this work. Then, to better understand and improve the design of adaptive selection strategies, we propose a modeling of the optimization problem and its local search operator. In this modeling, an important characteristic is the average gain of an operator according to the fitness of the candidate solution. The model is used in the synchronous framework of the master-slave model. A selection strategy is broken down into three main components : the aggregation of the rewards exchanged, the learning scheme and the distribution of the algorithms on the computing nodes. In the final part, we study three scenarios, and we give keys to understanding the relevant use of adaptive selection strategies over naïve strategies. In the framework of the master-slave model, we study the different ways of aggregating the rewards on the master node, the distribution of the optimization algorithms of the nodes of computation and the time of communication. This thesis ends with perspectives in the field of distributed adaptive stochastic optimization

Cette thèse de doctorat traite de la reconnaissance automatique du Langage français Parlé Complété (LPC), version française du Cued Speech (CS), à partir de l’image vidéo et sans marquage de l’information préalable à l’enregistrement vidéo. Afin de réaliser cet objectif, nous cherchons à extraire les caractéristiques de haut niveau de trois flux d’information (lèvres, positions de la main et formes), et fusionner ces trois modalités dans une approche optimale pour un système de reconnaissance de LPC robuste. Dans ce travail, nous avons introduit une méthode d’apprentissage profond avec les réseaux neurono convolutifs (CNN)pour extraire les formes de main et de lèvres à partir d’images brutes. Un modèle de mélange de fond adaptatif (ABMM) est proposé pour obtenir la position de la main. De plus, deux nouvelles méthodes nommées Modified Constraint Local Neural Fields (CLNF Modifié) et le model Adaptive Ellipse Model ont été proposées pour extraire les paramètres du contour interne des lèvres (étirement et ouverture aux lèvres). Le premier s’appuie sur une méthode avancée d’apprentissage automatique (CLNF) en vision par ordinateur. Toutes ces méthodes constituent des contributions significatives pour l’extraction de caractéristiques du LPC. En outre, en raison de l’asynchronie des trois flux caractéristiques du LPC, leur fusion est un enjeu important dans cette thèse. Afin de le résoudre, nous avons proposé plusieurs approches, y compris les stratégies de fusion au niveau données et modèle avec une modélisation HMM dépendant du contexte. Pour obtenir le décodage, nous avons proposé trois architectures CNNs-HMMs. Toutes ces architectures sont évaluées sur un corpus de phrases codées en LPC en parole continue sans aucun artifice, et la performance de reconnaissance CS confirme l’efficacité de nos méthodes proposées. Le résultat est comparable à l’état de l’art qui utilisait des bases de données où l’information pertinente était préalablement repérée. En même temps, nous avons réalisé une étude spécifique concernant l’organisation temporelle des mouvements de la main, révélant une avance de la main en relation avec l’emplacement dans la phrase. En résumé, ce travail de doctorat propose les méthodes avancées d’apprentissage automatique issues du domaine de la vision par ordinateur et les méthodologies d’apprentissage en profondeur dans le travail de reconnaissance CS, qui constituent un pas important vers le problème général de conversion automatique de CS en parole audio
This PhD thesis deals with the automatic continuous Cued Speech (CS) recognition basedon the images of subjects without marking any artificial landmark. In order to realize thisobjective, we extract high level features of three information flows (lips, hand positions andshapes), and find an optimal approach to merging them for a robust CS recognition system.We first introduce a novel and powerful deep learning method based on the ConvolutionalNeural Networks (CNNs) for extracting the hand shape/lips features from raw images. Theadaptive background mixture models (ABMMs) are also applied to obtain the hand positionfeatures for the first time. Meanwhile, based on an advanced machine learning method Modi-fied Constrained Local Neural Fields (CLNF), we propose the Modified CLNF to extract theinner lips parameters (A and B ), as well as another method named adaptive ellipse model. Allthese methods make significant contributions to the feature extraction in CS. Then, due tothe asynchrony problem of three feature flows (i.e., lips, hand shape and hand position) in CS,the fusion of them is a challenging issue. In order to resolve it, we propose several approachesincluding feature-level and model-level fusion strategies combined with the context-dependentHMM. To achieve the CS recognition, we propose three tandem CNNs-HMM architectureswith different fusion types. All these architectures are evaluated on the corpus without anyartifice, and the CS recognition performance confirms the efficiency of our proposed methods.The result is comparable with the state of the art using the corpus with artifices. In parallel,we investigate a specific study about the temporal organization of hand movements in CS,especially about its temporal segmentation, and the evaluations confirm the superior perfor-mance of our methods. In summary, this PhD thesis applies the advanced machine learningmethods to computer vision, and the deep learning methodologies to CS recognition work,which make a significant step to the general automatic conversion problem of CS to sound.The future work will mainly focus on an end-to-end CNN-RNN system which incorporates alanguage model, and an attention mechanism for the multi-modal fusion