Recent advances in regional controllability of cellular automata

par Sara Dridi

Thèse de doctorat en Mathematiques appliquées

Sous la direction de Samira El Yacoubi et de Franco Bagnoli.

Soutenue le 29-11-2019

à Perpignan en cotutelle avec l'Università degli studi (Florence, Italie) , dans le cadre de École doctorale Énergie environnement (Perpignan) , en partenariat avec Images- espace dev (Perpignan) (équipe de recherche) et de UMR 228 Espace-Dev- Espace pour le développement (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Nouvelles avancées en contrôlabilité régionale des automates cellulaires


  • Résumé

    Le sujet abordé dans cette thèse concerne la contrôlabilité d’une classe de systèmes spatio-temporels, entièrement discrets de type automates cellulaires (AC). Le but de cette étude est de mettre en lumière de nouvelles pistes pour prouver la contrôlabilité des systèmes complexes. Plus spécifiquement, cette thèse se focalise sur la contrôlabilité régionale qui consiste à se restreindre à une région du domaine où le système devra atteindre un objectif donné à travers des actions ciblées. Le cas d’AC Booléens a été particulièrement examiné tout au long de cette thèse. La première partie est consacrée à l’étude du problème de la contrôlabilité régionale des AC déterministes lorsque les actions sont exercées sur la frontière de la régioncontrôlée. Une première démarche que nous avons utilisée s’appuie sur les chaines de Markov et la contrôlabilité est caractérisée en établissant une matrice similaire à leur matrice de transition en utilisant les définitions d’une chaîne ergodique et régulière. Cette étude a été étendue au cas des AC probabilistes qui sont largement utilisés pour modéliser de nombreux phénomènes réels. Le même problème a été appréhendé en utilisant des outils de la théorie des graphes. Nous proposons des conditions nécessaires et suffisantes pour la contrôlabilité régionale des AC déterministes en utilisant les notions de circuit hamiltonien et de composante fortement connexe. Le contrôle qui assure la contrôlabilité régionale est défini à travers un algorithme préimages. La deuxième partie est dédiée au problème de la contrôlabilité régionale frontière des AC Booléens qui consiste à agir sur la frontière du domaine pour atteindre un objectif sur une région cible. Nous considérons d’abord des AC linéaires pour lesquels nousdonnons un résultat de caractérisation grâce à la condition de Kalman. Nous proposons un algorithme pour déterminer le contrôle qui permet de forcer l’apparition d’une configuration désirée dans la région d’étude. Le cas des AC non linéaires a été également considéré en utilisant un algorithme de recherche des préimages.


  • Résumé

    The issue addressed in this thesis concerns the controllability of a class of discrete spatio-temporal systems named cellular automata (CA). The purpose of this study is to highlight new ways to prove the controllability of complex systems. Morespecifically, this thesis focuses on regional controllability which consists in restricting the study to a subregion of the domain where the system will have to achieve a given objective through targeted actions. The case of Boolean CA have been particularly examined throughout this thesis. The first part is devoted to the study of the problem of the regional controllability of deterministic CAs when the actions are exerted on the boundaries of the controlled region. A first approach that we used relies on Markov chains and controllability is characterized by establishing a matrix similar to their transition matrix using the definitions of a regular and ergodic chain. This study has been extended to the case of probabilistic CAs that are widely used tomodel many real phenomena. The same problem has been apprehended using tools of graph theory. We proposenecessary and sufficient conditions for the regional controllability of deterministic CAs using the notions of Hamiltonian circuit and strongly connected component. The control that ensures regional controllability is defined through a preimage algorithm.The second part is devoted to the problem of the boundary regional controllability of Boolean CAs, which consists of acting on the boundary of the domain in order to reach a desired goal in a target region. We first consider linear CAs for which we givea characterization result using the Kalman condition. We propose an algorithm to determine the control that allows to force the appearance of a desired configuration in the study area. The case of nonlinear CAs was also considered using a preimagesearch algorithm.


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