Apprentissage fédéré sur des données verticalement partitionnées provenant de participants hétérogènes

L'apprentissage fédéré permet à plusieurs participants d'entraîner en collaboration un modèle global, sans partager leurs données, mais seuls les paramètres du modèle sont échangés entre les participants et le serveur. Dans l'apprentissage fédéré vertical (VFL), les données des participants partagent des échantillons similaires, mais ont des attributs différents. Par exemple, des entreprises de différents domaines possédant des données avec des attributs différents collaborent pour résoudre une tâche d'apprentissage automatique. Bien que les données soient privées, VFL reste vulnérable aux attaques telles que les attaques de type Feature/Label Inference Attack. Différentes méthodes de protection (par exemple, la confidentialité différentielle, le chiffrement homomorphe) ont été étudiées pour protéger la confidentialité du VFL. Le choix des méthodes appropriées est un défi car il dépend de l'architecture de VLF et du niveau de confidentialité souhaité (par exemple, modèles locaux, résultats intermédiaires, modèles appris). La variabilité du système de chaque participant peut également entraîner une latence élevée et des mises à jour asynchrones, ce qui affecte la performance du modèle et l'efficacité de l’entraînement.

L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes pour effectuer VFL de manière confidentielle, en tenant compte de l'hétérogénéité des participants. Premièrement, le candidat étudiera les architectures des modèles VFL et les mesures de confidentialité afin de proposer des protocoles d’entraînement sécurisés et confidentiels pour VFL. Deuxièmement, le candidat étudiera les impacts de l'hétérogénéité du système des participants, tels que les ressources de calcul et de communication, afin de concevoir des solutions pour rendre les protocoles proposés robustes à ce type d’hétérogénéité. Troisièmement, les compromis entre la performance, la confidentialité et l’efficacité du VFL seront étudiés afin de proposer un cadre pratique permettant de piloter les protocoles en fonction des caractéristiques d'un problème d'apprentissage automatique donné.

Applications environnementales de l'étude métrologique des réactions photonucléaires sur les éléments légers.

Le LNHB est en train de développer au travers d'une thèse et d'un projet financé par le LNE, un prototype de détection des matières illicites en utilisant la méthode d’interrogation photonique active et basé sur la spectrométrie des photoneutrons émis par des cibles irradiées par un accélérateur linéaire d'électron. Ce nouveau sujet de thèse consiste à étudier les réactions photonucléaires sur des éléments légers pour des applications environnementales, en premier au travers d'une meilleure compréhension des photoneutrons, neutrons secondaires et des taux de production de radionucléides cosmogéniques produits dans l'atmosphère lors des flashs de rayons gamma terrestres associés aux orages ou des sursauts gamma d'origine cosmique. L'installation expérimentale unique du LNHB-MD sera utilisée pour obtenir des données nucléaires de base tels les distributions angulaires et en énergie des photoneutrons émis par des d'éléments légers ainsi qu'une caractérisation des produits d'activation. Les données recueillies permettront d'améliorer la description des processus photonucléaires pour les éléments légers dans les codes Monte-Carlo et d'estimer leur influence sur des grandeurs mesurables au travers de codes de simulation de phénomènes environnementaux. La même méthodologie pourra être appliquée pour l'étude des réactions photonucléaires ayant lieu dans les roches - composées principalement d'éléments légers - suite à l'irradiation par des photons de haute énergie d'origine naturelle ou artificielle, ceci pour la détection de minéraux et la détermination d'albédo neutron.

Simulation des phénomènes d’interaction entre ondes ultrasonores et microstructure métalliques pour l’imagerie et la caractérisation

L’interaction des ondes avec la matière dépend fortement de la fréquence de ces ondes et de l’échelle de leurs longueurs d’onde au regard des propriétés du milieu considéré. Dans le cadre des applications d’imagerie ultrasonore qui nous importent, les échelles considérées pour les métaux sont généralement de l’ordre du millimètre (du dixième à plusieurs dizaines de millimètres). Or, selon les procédés de fabrication utilisés, les milieux métalliques qui sont souvent anisotropes peuvent également présenter une microstructure dont les hétérogénéités ont des dimensions caractéristiques du même ordre. Ainsi, les ondes ultrasonores se propageant à travers des métaux peuvent, dans certaines circonstances, être fortement affectées par les microstructures de ces derniers. Cela peut représenter une gêne pour certaines techniques ultrasonore (atténuation, bruit de structure) ou, au contraire, une opportunité pour estimer des propriétés locales du métal inspecté.
L’objectif général de la thèse proposée vise à approfondir la compréhension du lien entre microstructure et comportement des ondes ultrasonores pour de grandes classes de matériau en bénéficiant des savoirs combinés du LEM3 pour la génération de microstructure virtuelle et du CEA pour la simulation de la propagation d’ondes ultrasonores.
Le travail proposé combinera l’acquisition et l’analyse de données expérimentales (matériau et ultrasons), l’utilisation d’outils de simulation, et le traitement statistique de données. Cela permettra une analyse les comportements selon les classes de matériaux, voire la mise en place de procédures d’inversion permettant de caractériser une microstructure à partir d’un jeu de données ultrasonores. La combinaison de ces méthodes permettra une approche holistique contribuant à des avancées significatives dans le domaine.

Architecture pour système embarquée de Cartographie Automatisée et Fiabilisée d’installations indoor

Les travaux de recherche proposés s’intéressent à la localisation en 3D des données issues de mesures à l’intérieur de bâtiments, où les systèmes de localisation satellitaires, tels que le GPS, ne sont pas opérationnels. Différentes solutions existent dans la littérature, elles s’appuient notamment sur l’utilisation d’algorithmes de type SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), mais la reconstruction 3D est généralement effectuée a posteriori. Afin de pouvoir proposer ce type d’approche pour des systèmes embarqués, une première thèse a été menée et a conduit au choix des algorithmes à embarquer et à une ébauche de l’architecture électronique. Une première preuve de concept a également été mise en œuvre. Dans la continuité de ces travaux, la thèse devra proposer une méthode permettant au dispositif de localisation d’être facilement embarqué sur une large gamme d’équipements de mesure nucléaire (radiamètre, contaminamètre, spectrométrie portable…). Les travaux ne se limitent pas à une simple phase d’intégration, ils nécessitent en effet une exploration architecturale qui reposera sur des approches d’Adéquation Algorithme Architecture (AAA). Ces approches permettront de respecter différents critères, tel que poids et encombrement faible pour ne pas compromettre l’ergonomie pour les opérateurs réalisant les cartographies et qualité de la reconstruction pour assurer la fiabilité des données d’entrée pour les modèles du Jumeau Numérique.

Développement d’un modèle numérique d’imagerie par rayons x en contraste de phase et dark field

Depuis 2013, le CEA List (Université Paris Saclay), développe des méthodes d’imagerie par rayons X en contraste de phase, notamment par interférométrie à décalage multi latéral. En complément de l’information en absorption, le déphasage des rayons X apporte un contraste et une sensibilité supplémentaire sur l’image, notamment pour les matériaux de faible numéro atomique ou peu dense.
Diverses techniques ont été mises au point pour générer un contraste de phase, basées notamment sur l’ajout d’un modulateur d’intensité aléatoire ou régulier (grille d’interférence). En outre, l'imagerie dark field est apparue comme un signal complémentaire précieux en imagerie par contraste de phase. Le signal de dark field provient de la diffusion aux petits angles de structure fines de l'échantillon. Le signal dark field a notamment prouvé sa capacité à dévoiler des caractéristiques de l'échantillon qui restent invisibles par des moyens conventionnels. Il peut, par exemple, révéler les propriétés microstructurelles du poumon dans les cas de maladie pulmonaires obstructives chroniques.
La poursuite de ces développements passe par la mise en œuvre d’un modèle numérique produisant des images suffisamment précises et représentatives d’un système expérimental.
Le but de la thèse est le développement d’un modèle numérique prenant en compte les phénomènes de contraste de phase et de diffusion, notamment en s’abstenant d’une hypothèse classique de modélisation qui est la considération d’un objet infiniment fin (projected thickness). La non prise en compte de cette hypothèse sera à traiter pour pouvoir aller vers une imagerie de phase sur objet épais (par exemple un thorax). En règle générale, la modélisation d’une imagerie en contraste de phase s'appuie sur une description ondulatoire. En revanche, les phénomènes de diffusion sont habituellement simulés à l'aide d'une description particulaire, souvent en utilisant des techniques Monte Carlo. Dans cette étude, le développement d’un modèle combiné sera produit et validé expérimentalement.
La thèse s’effectuera au CEA List à Saclay dans un environnement comportant de fortes compétences numériques et expérimentales.

Reconstruction de topologie d'un réseau ramifié par réflectométrie multicapteurs

Les réseaux électriques intelligents (smart grids) visent à surveiller et contrôler des réseaux électriques alors que de nombreux facteurs évoluent, tels que : les unités de production, les unités de consommation, mais aussi le réseau lui-même, sa structure et son état d'intégrité.

Les smart grids visent à assurer la meilleure qualité de service possible tout en assurant la protection des personnes et des infrastructures. Dans ce domaine, une large part des algorithmes visent à "sortir l'humain" des boucles de rétroaction afin d'assurer une disponibilité permanente et une réactivité très élevée. C'est pourquoi de nombreux travaux visent à inclure des algorithmes d'intelligence artificielle dans la boucle décisionnelle.

Dans ce contexte, nous nous intéressons à des moyens de déterminer la topologie d'un réseau électrique. La notion de topologie de réseau inclut la détermination des longueurs des tronçons et leurs caractéristiques, tout comme les caractéristiques des charges connectées au réseau (unités de productions et de consommation), mais aussi d'éventuels défauts dans le réseau. La détermination précise d'une topologie peut éventuellement être exploitée par la suite pour mieux monitorer le réseau en disposant d'informations a priori plus détaillées.

Pour caractériser la topologie, nous proposons d'exploiter un système ponctuel ou distribué de réflectomètres électriques. Ces dispositifs génèrent des signaux dans le réseau sous test et l'étude des réflexions de ces signaux donne des informations pour révéler la structure du réseau, sachant que toute discontinuité d'impédance va créer des réflexions partielles des ondes injectées.

De précédents travaux ont été menés au sein de nos équipes pour la reconstruction de topologie à l'aide de réflectomètre, en utilisant des algorithmes d'optimisation couplés à un simulateur. Nous souhaitons étendre ces travaux d'une part en explorant une approche par régresseur et apprentissage automatique, en monocapteur, et d'autre part en effectuant un analyse multicapteurs soit au moyen des algorithmes d'optimisation déjà existants, soit au moyen des nouveaux algorithmes de régression automatisés.

Développement d’un dispositif de mesure par coïncidences neutron/gamma pour la caractérisation de sources neutrons type XBe

Ce travail de recherche s’inscrit dans le cadre des activités d’étalonnages de sources neutroniques au LNHB et de R&D au sein du SIMRI - CEA/LIST, visant à développer des chaînes de mesures neutroniques pour le CEA et pour l’industrie nucléaire. L’objectif du travail de thèse est de développer un dispositif de mesure compact par coïncidences neutron/gamma afin d’améliorer la caractérisation des sources de type XBe – réaction (alpha,n) ou mixtes (alpha,n) et fission spontanée. On peut citer par exemple : américium-béryllium, plutonium-béryllium, curium-béryllium, ou encore des sources exotiques de forte émissivité et mélangeant plusieurs radionucléides alpha (ex. américium-plutonium-béryllium). Pour cette famille de sources, l’émission de neutron par réaction (alpha,n) s’accompagne de l’émission simultanée d’un photon gamma caractéristique à 4,4 MeV. La détection du neutron et du gamma en coïncidence est susceptible d’apporter une information d’intérêt dans le processus de caractérisation de la source, que ce soit pour la mesure du débit d’émission neutronique ou pour la détermination du spectre en énergie des neutrons. Il s’agit de mesurer précisément les signatures gamma et neutrons ainsi que les rapports d’intensité gamma/neutron issus des réactions conduisant à l’émission d’un neutron. Le dispositif devra être capable de mesurer également les neutrons émis par réaction de fission spontanée ou par réaction (n,2n) dans le béryllium. D’autres émissions photoniques sont également susceptibles de fournir des informations d’intérêts, par exemple, l’émission d’un gamma à 2,2 MeV issue d’une réaction de capture sur l’hydrogène. Les mesures de coïncidences neutron/gamma serviront aussi à améliorer l’évaluation des données nucléaires comme les sections efficaces de captures de certains éléments d’intérêts, ex. réaction (n,gamma) sur l’oxygène ou sur l’hydrogène.

Inscription de Guides d’Onde dans les Fibres Optiques en Silice et en Saphir et Etude de leurs Stabilités Thermiques

Les réseaux de Bragg sur fibres optiques, sont des structures photo-inscrites de motifs périodiques de courte longueur (millimétrique), souvent par laser femtoseconde dans le cœur des fibres optiques et agissent comme un filtre optique passe-bande en réflexion centré sur la longueur d’onde de Bragg. Cette propriété permet un multiplexage spectral et la mesure du décalage en longueur d’onde de Bragg fournit l’information recherchée. En base silice, les réseaux de Bragg permettent de réaliser des mesures de températures jusqu’à 1200°C. Pour des mesures supérieures à 1200°C, les fibres optiques en saphir sont utilisées jusqu’à des températures de 2000°C. Cependant, le comportement de guidage des fibres optiques en saphir est très multimodal car elles ne possèdent pas de cœur. En conséquence, la mesure est moins précise et le rapport signal-sur-bruit est moins élevé que pour une fibre monomode en silice. De plus, toute modification de la surface de la fibre a un impact sur le spectre du réseau de Bragg.
Le but de cette thèse est de développer des outils et méthodes pour la maîtrise du processus de création d’un guide d’onde optique dans la fibre en saphir, permettant ainsi une réduction du contenu modal se propageant dans la fibre en saphir et in fine ouvrir des perspectives importantes en métrologie en environnements sévères (contrôle de moteur d’avions, réacteurs nucléaires, procédé thermochimiques, etc.) qui font partie des missions du DRT/LIST-DIN. Une des techniques envisagées est la photo-inscription d’une gaine optique, en forme d’anneau, donc le diamètre interne – i.e. le cœur – serait de l’ordre de la dizaine de micromètres. D’autres techniques telles que l’implantation ionique sont aussi envisagées pour créer la gaine optique par amorphisation (collaboration envisagée avec le GANIL, ligne d’implantation IRRSUD). Enfin ces structures seraient caractérisées à haute température (2000°C) et sous très haute pression dynamique (> 10 GPa).

Méta-modélisation différentiable pour l'inférence basée sur la simulation

De nombreux modèles de phénomènes complexes (physique, dynamique moléculaire, etc) n'admettent pas d'expression analytique générale mais reposent sur des implémentations in silico sous forme de simulateurs dits "forward". Ainsi, la simulation forward peut être utilisée pour résoudre des problèmes inverses : trouver les conditions initiales -- les entrées du simulateur -- à partir d'observations du phénomène considéré.

En termes statistiques, la résolution d'un tel problème inverse peut être approchée par l'exploration d'une distribution a posteriori dont la vraisemblance, implicite, n'est accessible que par l'intermédiaire de générations issues du simulateur. Par une estimation (bayésienne) de l'incertitude, cette approche probabiliste présente l'avantage de répondre au problème en fournissant des bornes sur l'erreur. Pour les problèmes en grandes dimensions ou quand le calcul forward présente un coût calculatoire élevé, les techniques bien établies comme l'ABC ou les estimateurs à noyaux de densité (KDE) deviennent impraticables. Dans ces conditions, on peut considérer la construction de méta-modèles (surrogates) afin d'approximer la vraisemblance intractable, couplée à des schémas efficaces d'échantillonnage de la loi a posteriori.

Les avancées récentes dans le domaine des architectures génératives basées sur la différentiation automatique ouvrent la voie vers la conception de méta-modèles différentiables pour la résolution des problèmes inverses basés sur la simulation. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier et de développer de nouvelles approches en vue d'élaborer des méta-modèles différentiables et de les évaluer sur des problématiques réalistes en commençant par la reconstruction en imagerie nucléaires.

Etude et exploitation de l’information spectrale du bruit Barkhausen appliquée à la caractérisation d’aciers

Le bruit magnétique de Barkhausen (magnetic Barkhausen noise, MBN) a gagné en popularité les derniers années dans le cadre d’évaluation de la santé structurelle des matériaux magnétiques. L'intérêt de l'application de cette technique vient de la forte dépendance des signaux MBN sur la microstructure du matériau ainsi que sur son niveau de contrainte et sa composition chimique.
Le développement d'outils d'analyse robustes et fiables basés sur les signaux MBN est cependant fortement défie par la complexité de la physique impliquée et sa sensibilité aux détails de la microstructure. Bien qu’un certain nombre de modèles aient été proposés au cours des dernières décennies et que des progrès significatifs aient été rapportés en termes de compréhension du phénomène, on encore loin de disposer une théorie complète.
En raison de ce manque de compréhension et de la complexité des signaux MBN, l’état actuel de la technique du point de vue des contrôles non destructifs (CND) repose presque entièrement sur la mesure et l’analyse de l’enveloppe du signal. L'information spectrale bien que riche en contenu est ignorée à ce niveau. Pourtant, il a été démontré que le spectre MBN peut donner lieu à une classification des matériaux magnétiques en différentes classes d'universalité basées sur des caractéristiques microstructurales, notamment le degré de désordre.
Les travaux de recherche associées à la thèse proposée visent à contribuer à l'utilisation des mesures spectrales pour la caractérisation des matériaux magnétiques, notamment les aciers. Des mesures précises de MBN obtenues à partir de différentes microstructures à l'aide d'une configuration dédiée (développée dans le cadre des travaux de thèse) seront analysées et comparées à des simulations théoriques basées sur des outils préalablement développés par l'institut d'accueil afin de
• Valider et affiner les modèles théoriques
• Étudier l'impact de la microstructure (taille des grains, dislocations) sur les caractéristiques du spectre
• Explorer la classification des microstructures considérées en différentes classes
Partant de matériaux modèles bien connus (FeSi et FeCo), pour lesquels de nombreux résultats publiés existent et qui peuvent donc être utilisés comme référence, l'étude se concentrera ensuite sur certaines nuances d'acier industrielles importantes comme le sans interstitiel (IF) et les aciers à faible teneur en carbone (LC).
La thèse sera dirigée et encadrée conjointement par le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) et l'Institut CEIT. La partie principale du travail sera effectuée au centre de recherche du CEA à Saclay, en France, avec possibilité de séjours à l'institut CEIT de San Sebastian, en Espagne.
Le profil du candidat recherché est compatible avec des physiciens et ingénieurs avec une bonne base en physique de l’état solide et une solide compréhension de l’électromagnétisme. Des notions métallurgiques de base et une familiarisation avec les équipements standards de laboratoire sont également attendues. Des connaissances de base en programmation seront aussi utiles. Le candidat est également supposé avoir de bonnes compétences en communication en anglais.
Le candidat bénéficiera d'un accès aux installations expérimentales des deux centres, à la bibliothèque centrale du CEA et au réseau de transports du CEA ainsi qu'aux installations de restauration.

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