%% Use the standard UP-methodology class
%% with French language.
%%
%% You may specify the option 'twoside' or 'oneside' for
%% the document.
%%
%% See the documentation tex-upmethodology on
%% http://www.arakhne.org/tex-upmethodology/
%% for details about the macros that are provided by the class and
%% to obtain the list of the packages that are already included. 
 
\documentclass[a4paper,french]{spimumlpphdthesis}
\renewcommand{\familydefault}{\sfdefault} % Met tout le texte en 'sans serif'.
 
%%--------------------
%% The TeX code is entering with UTF8
%% character encoding (Linux and MacOS standards)
\usepackage[utf8]{inputenc}
 
\usepackage[T1]{fontenc}
\usepackage{times}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{xcolor,graphicx}

\usepackage[export]{adjustbox} % Pour aligner image à droite

\usepackage{url}
%\geometry{margin=1in}

%%-------------------
%% NATBIB is enabled by default.
%% If you would like to disable it, put the 'nonatbib' option to the class' options.
 
%%--------------------
%% Include the 'multibib' package to enable to
%% have different types of bibliographies in the
%% document (see at the end of this template for
%% an example with a personnal bibliography and
%% a general bibliography)
%%
%% Each bibliography defined with 'multibib'
%% adds a chapter with the corresponding
%% publications (in addition to the chapter for
%% the standard/general bibliography).
%% CAUTION:
%% There is no standard way to do include this type of
%% personnal bibliography.
%% We propose to use 'multibib' package to help you,
%% for example.
%\usepackage{multibib}
 
%% Define a "type" of bibliography, here the PERSONAL one,
%% that is supported by 'multibib'.
%\newcites{PERSO}{Liste de mes publications}
 
%% To cite one of your PERSONAL papers with the style
%% of the PERSONAL bibliography: \citePERSO{key}
%% To force to show one of your PERSONAL papers into
%% the PERSONAL bibliography, even if not cited in the
%% text: \nocitePERSO{key}
 
%% REMARK: When you are using 'multibib', you
%% must compile the PERSONAL bibliography by hand.
%% For example, the sequence of commands to run
%% when you had defined the bibliography PERSO is:
%%   $ pdflatex my_document.tex
%%   $ bibtex my_document.aux
%%   $ bibtex PERSO.aux
%%   $ pdflatex my_document.tex
%%   $ pdflatex my_document.tex
%%   $ pdflatex my_document.tex
 
%%--------------------
%% Add here any other packages that are needed for your document.
%\usepackage{eurosim}
\usepackage{amsmath}
\usepackage{algorithm}
\usepackage{algpseudocode}
\usepackage{xcolor}

%%--------------------
%% Set the title, subtitle, defense date, and
%% the registration number of the PhD thesis.
%% The optional parameter is the subtitle of the PhD thesis.
%% The first mandatory parameter is the title of the PhD thesis.
%% The second mandatory parameter is the date of the PhD defense.
%% The third mandatory parameter is the location/city of the PhD defense.
%% The forth mandatory parameter is the reference number given by
%% the University Library after the PhD defense.
\declarethesis%[Sous-titre]
%{Adaptation en temps réel d'une séance d'entraînement par intelligence artificielle}{17 septembre 2025}{Besançon}{XXX}
 
%%--------------------
%% Set the title in the secondary language
%% (it is in English if the PhD dissertation is written in French; it is French if the PhD dissertation is written in English)
%\declareminorthesistitle{Titre dans la langue secondaire}

%%--------------------
%% Add a member of the jury
%%
%% Two macros are provided: one without civility, one with civility.
%%
%% CAUTION 1: If a Jury member is not present during the defense,
%%            she/he must be in the list of the Jury members.
%%            Only the reviewers and the members who are present during the defense must
%%            appear in the Jyry member list. 
%% CAUTION 2: After your defense, you must assign the role "Pr\'esident" to
%%            the Jury member who have been the President of the Jury.
%% CAUTION 3: The recommended order for the Jury members is:
%%            President, Reviewer(s), Examiner(s), Director(s),
%%            Other supervisor(s), Invited person(s).
%% \addjury{Firstname}{Lastname}{Role in the jury}{Position}

%%--------------------
%% Change style of the table of the jury
%% \Set{jurystyle}{put macros for the style}
%\Set{jurystyle}{\small}
 
%%--------------------
%% Set the English abstract
\thesisabstract[english]{The aim of this thesis work is to take into account in real time a learner's work for a better personalization of the intelligent tutoring system named AI-VT (Artificial Intelligence Virtual Trainer).

Some of the most common and typical problems in the field of intelligent tutoring systems (ITS) are (i) correctly identifying learners' difficulties in the learning process, (ii) adapting the content or presentation of the system according to the difficulties encountered, and (iii) the ability to adapt without initial data (cold start). In some cases, the system tolerates modifications after the skills have been acquired and assessed. Other systems require complicated real-time adaptation, as only a limited amount of data can be captured. In this case, they must be analyzed correctly and with a certain degree of precision in order to obtain the appropriate adaptations. The proposed architecture and the modules developed with artificial intelligence techniques work in tandem, exploiting the advantages of each to obtain effective adaptation proposals according to the evolution of learners' knowledge, thus enabling knowledge acquisition and progression in the learning process.}
 
%%--------------------
%% Set the English keywords. They only appear if
%% there is an English abstract
\thesiskeywords[english]{Intelligent tutoring systems, Artificial intelligence, Case-based reasoning, Multi-agent systems, Bayesian reasoning, Thompson sampling, Hawkes process}
 
%%--------------------
%% Set the French abstract
\thesisabstract[french]{L'objectif de ce travail de thèse est la prise en compte en temps réel du travail d'un apprenant pour une meilleure personnalisation de l'environnement informatique pour l'apprentissage humain AI-VT (Artificial Intelligence Virtual Trainer).

Certains des problèmes les plus courants et les plus typiques dans le domaine des environnements informatiques d'apprentissage humain (EIAH) sont (i) l'identification correcte des difficultés des apprenants dans le processus d'apprentissage, (ii) l'adaptation du contenu ou de la présentation du système en fonction des difficultés rencontrées, et (iii) la capacité à s'adapter sans données initiales (démarrage à froid). Dans certains cas, le système tolère des modifications après la réalisation et l'évaluation des compétences. D'autres systèmes nécessitent une adaptation compliquée en temps réel car seul un nombre limité de données peut être capturé. Dans ce cas, elles doivent être analysées correctement et avec une certaine précision afin d'obtenir les adaptations appropriées. L'architecture proposée et les modules développés avec techniques d'intelligence artificielle fonctionnent de manière associée en exploitant les avantages de chacun pour obtenir des propositions d'adaptation performantes selon l'évolution des connaissances des apprenants, permettant ainsi l'acquisition des connaissances et la progression dans le processus d'apprentissage.
}
 
%%--------------------
%% Set the French keywords. They only appear if
%% there is an French abstract
\thesiskeywords[french]{Environnements informatiques d'apprentissage humain, Intelligence artificielle, raisonnement à partir de cas, systèmes multi-agents, raisonnement bayésien, échantillonnage de Thompson, processus de Hawkes}
 
%%--------------------
%% Change the layout and the style of the text of the "primary" abstract.
%% If your document is written in French, the primary abstract is in French,
%% otherwise it is in English.
%\Set{primaryabstractstyle}{\tiny}
 
%%--------------------
%% Change the layout and the style of the text of the "secondary" abstract.
%% If your document is written in French, the secondary abstract is in English,
%% otherwise it is in French.
%\Set{secondaryabstractstyle}{\tiny}
 
%%--------------------
%% Change the layout and the style of the text of the "primary" keywords.
%% If your document is written in French, the primary keywords are in French,
%% otherwise they are in English.
%\Set{primarykeywordstyle}{\tiny}
 
%%--------------------
%% Change the layout and the style of the text of the "secondary" keywords.
%% If your document is written in French, the secondary keywords are in English,
%% otherwise they are in French.
%\Set{secondarykeywordstyle}{\tiny}
 
%%--------------------
%% Change the speciality of the PhD thesis
%\Set{speciality}{Informatique}
 
%%--------------------
%% Change the institution
%\Set{universityname}{Universit\'e de Technologie de Belfort Montb\'eliard}
 

%%--------------------
%% Clear the list of the laboratories
\resetlaboratories

%%--------------------
%% Add the laboratory where the thesis was made
%\addlaboratory{Laboratoire Connaissance et Intelligence Artificielle Distribu\'ees}

%%--------------------
%% The name of the university that is jointly delivering the Doctoral degree with UBFC
%\Set{jointuniversity}{Universit\'e de Ngaound\'er\'e au Cameroun}

%%--------------------
%% Clear the list of the partner/sponsor logos
%\resetpartners

%%--------------------
%% Add the logos of the partners or the sponsors on the front page
%%
%% CAUTION 1: At least, the logo of the University should appear (UFC)
%%
%\addpartner[image options]{image name}

%\addpartner{ufc}

%%--------------------
%% Change the header and the foot of the pages.
%% You must include the package "fancyhdr" to
%% have access to these macros.
%% Left header
%\lhead{}
%% Center header
%\chead{}
%% Right header
%\rhead{}
%% Left footer
%\lfoot{}
%% Center footer
%\cfoot{}
%% Right footer
%\rfoot{}
 
%%--------------------
% Declare several theorems
%\declareupmtheorem{mytheorem}{My Theorem}{List of my Theorems}

%%--------------------
%% Change the message on the backcover.
%\Set{backcovermessage}{%
%	Some text
%}

\usepackage{layout} % Add this to view current margins

\usepackage[pass]{geometry}

\begin{document}

\newgeometry{left=6cm, bottom=0.1cm}

\begin{titlepage} % Supprime headers et footers de la page
\begin{figure}[t]
	\includegraphics[width=0.4\textwidth]{images_logos/image1_logoUBFC_grand.png}\hfill\includegraphics[width=0.4\textwidth]{images_logos/logo_UFC_2018_transparence.png}
\end{figure}

\begin{center}
	
\vspace*{1.0cm}
\footnotesize{\textsf{\textbf{THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE MARIE ET LOUIS PASTEUR\\~\\
%			PREPAREE A l'UNIVERSITE DE FRANCHE-COMTE
}}}

\vspace{1.0cm}
Ecole doctorale n\textsuperscript{o} 37\\~\\
Sciences Physique pour l’Ingénieur et Microtechniques

\vspace{1.0cm}
Doctorat d'Informatique

\vspace{1.5cm}
Par\\~\\M. SOTO FORERO Daniel

\vspace{1.5cm}
\huge
Adaptation en temps réel d'une séance d'entraînement par intelligence artificielle

\normalsize
%\vspace{0.12cm}
%<Sous-titre ou deuxième ligne du titre de la thèse>

\begin{flushleft}

\vspace{1.0cm}
Thèse présentée et soutenue à Besançon, le <date>

\vspace{1.0cm}
Composition du Jury~:

\begin{tabbing} %Tabulations avec'\>', positions indiquées par '\='.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\=~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\=\\ % Définit les positions des tabulations
M. GEORGES Sébastien  \> Prof., Le Mans Université \> Rapporteur\\
M. LIEBER Jean \> MCF HDR, Université de Lorraine \> Rapporteur\\
M. PRIFTI Edi \> Dir. de recherche, IRD \> Examinateur\\
M. LANG Christophe \> Prof., Université Marie et Louis Pasteur \> Examinateur\\
M. HENRIET Julien \> MCF HDR, UMLP \> Directeur de thèse\\
Mme BETBEDER Marie-Laure \> MCF, Université Marie et Louis Pasteur \> Codirectrice de thèse\\
\end{tabbing}
\end{flushleft}
\end{center}
\end{titlepage} % Fin de page de titre

\restoregeometry

%%--------------------
%% The following line does nothing until
%% the class option 'nofrontmatter' is given.
%\frontmatter

%%--------------------
%% The following line permits to add a chapter for "acknowledgements"
%% at the beginning of the document. This chapter has not a chapter
%% number (using the "star-ed" version of \chapter) to prevent it to
%% be in the table of contents
\chapter*{Remerciements}

\newpage
\hfill\begin{minipage}{0.32\linewidth}
\end{minipage}
\newpage

%%--------------------
%% Include a general table of contents
\tableofcontents

%%--------------------
%% The content of the PhD thesis
\mainmatter
 
\part{Contexte et Problématiques}

\chapter{Introduction}

\chapterintro

Ce chapitre introductif vise à expliquer les termes du sujet et à introduire la thématique principale abordée. Il présente la problématique de cette thèse, introduit les différentes contributions proposées et annonce le plan du manuscrit.

Comme l'indique \cite{Nkambou}, les environnements informatiques pour l'apprentissage humain (EIAH) sont des outils proposant des services devant permettre aux apprenants d'acquérir des connaissances et de développer des compétences dans un domaine spécifique. Pour fournir des services efficaces, le système doit intégrer une représentation des connaissances du domaine et des mécanismes pour utiliser ces connaissances. Il doit également être en mesure de raisonner et de résoudre des problèmes. 
%% JH : j'ai supprimé ce qui suit car je n'ai pas compris le sens : "ainsi que un module expert spécifique pour faciliter l'acquisition aux apprenants".\\

Le système \textit{Artificial Intelligence - Virtual Trainer} (AI-VT) est un EIAH générique développé au département d'informatique des systèmes complexes (DISC) de l'institut de recherche FEMTO-ST. Cet outil informatique propose un ensemble d'exercices aux apprenants dans le cadre de séances d'entraînement. AI-VT intègre le fait qu'une séance d'entraînement se situe dans un cycle de plusieurs séances. Les réponses apportées par l'apprenant à chaque exercice sont évaluées numériquement sur une échelle prédéfinie, ce qui permet d'estimer les progrès de l'apprenant et de déduire les sous-domaines dans lesquels il peut avoir des difficultés. Une séance est générée par un système multi-agents associé à un système de raisonnement à partir de cas (RàPC) \cite{doi:10.1177/1754337116651013}. Un apprenant choisit le domaine dans lequel il souhaite s'entraîner et AI-VT lui propose un test préliminaire. Les résultats obtenus permettent de placer l'apprenant dans le niveau de maîtrise adéquate. Le système génère ensuite une séance adaptée veillant à l'équilibre entre l'entraînement, l'apprentissage et la découverte de nouvelles connaissances. L'actualisation du niveau de l'apprenant est effectuée à la fin de chaque séance. De cette façon l'apprenant peut avancer dans l'acquisition des connaissances ou s'entraîner sur des connaissances déjà apprises.

Un certain nombre d'EIAH utilisent des algorithmes d'intelligence artificielle (IA) pour détecter les faiblesses et aussi pour s'adapter à chaque apprenant. Les algorithmes et modèles de certains de ces systèmes seront analysés dans les chapitres 2 et 3. Ces chapitres présenteront leurs propriétés, leurs avantages et leurs limites.

Le système AI-VT initial était capable d'ajuster les paramètres de personnalisation d'une séance à l'autre, mais il ne pouvait pas modifier une séance en cours même si certains exercices de celle-ci était trop simples ou trop complexes. Chaque séance était figée et devait être déroulée jusqu'à son terme avant de pouvoir identifier des acquis et des lacunes. Les travaux de cette thèse ont eu pour objectif de pallier ce manque.

\begin{emphbox}
La problématique principale de cette thèse est
la personnalisation en temps réel du parcours d’apprentissage des apprenants dans le système AI-VT (\textit{Artificial Intelligence - Virtual Trainer})\\
\end{emphbox}

Ici \textit{le temps réel} est considéré comme étant le moment où se déroule la séance que l'apprenant est en train de suivre.  
Par conséquent, l'objectif est de rendre AI-VT plus dynamique pour l'identification des difficultés et l'adaptation du contenu personnalisé en fonction des connaissances démontrées.

La partie suivante présente une liste des principales contributions apportées par cette thèse à la problématique générale énoncée plus haut.

Ce travail de thèse a été effectué au sein l'Université de Franche-Comté (UFC) devenue depuis le 1er janvier 2025 l'Université Marie et Louis Pasteur (UMLP). Ces recherches ont été menées au sein de l'équipe DEODIS du département d'informatique des systèmes complexes de l'institut de recherche FEMTO-ST, unité mixte de recherche (UMR) 6174 du centre national de la recherche scientifique (CNRS).

\section{Contributions Principales}

La problématique principale de ces travaux de recherche a été déclinée en plusieurs sous-parties. Ces dernières sont présentées ci-dessous sous la forme de questions. Pour chacune d'elles, une ou plusieurs propositions ont été faites. Voici les questions de recherche abordées et les contributions apportées :

\begin{enumerate}
    \item \textbf{Comment permettre au système AI-VT d'évoluer et d'intégrer de multiples outils ?} Pour répondre à cette question, une architecture modulaire autour du moteur initial d'AI-VT a été conçue et implémentée (ce moteur initial étant le système de raisonnement à partir de cas (RàPC) développé avant le démarrage de ces travaux de thèse).

    \item \textbf{Comment déceler qu'un exercice est plus ou moins adapté aux besoins de l'apprenant ?} Choisir les exercices les plus adaptés nécessite d'associer une valeur liée à son utilité pour cet apprenant. Les algorithmes de régression permettent d'interpoler une telle valeur. Pour répondre à cette question, nous avons proposé de nouveaux algorithmes de régression fondés sur le paradigme du raisonnement à partir de cas et celui des systèmes multi-agents.   

    \item \textbf{Quel modèle et quel type d'algorithmes peuvent être utilisés pour recommander un parcours personnalisé aux apprenants ?} Pour apporter une réponse à cette question, un système de recommandation fondé sur l'apprentissage par renforcement a été conçu. L'objectif de ces travaux est de proposer un module permettant de recommander des exercices aux apprenants en fonction des connaissances démontrées et en se fondant sur les réponses apportées aux exercices précédents de la séance en cours. Ce module de révision de la séance en cours du RàPC est fondé sur l'inférence bayésienne. 

    \item \textbf{Comment consolider les acquis de manière automatique ?} Une séance doit non seulement intégrer des exercices de niveaux variés mais également permettre à l'apprenant de renforcer ses connaissances. Dans cette optique, notre algorithme bayésien a été enrichi d'un processus de Hawkes incluant une fonction d'oubli.

\end{enumerate}

\section{Plan de la thèse}

Ce manuscrit est scindé en deux grandes parties de trois chapitres chacune. Le premier chapitre de la première partie (chapitre 2) vise à introduire le sujet, les concepts, les algorithmes associés, présenter le contexte général et l'application AI-VT initiale. Le deuxième chapitre de cette partie présente différents travaux emblématiques menés dans le domaine des environnements informatiques pour l'apprentissage humain. Le chapitre suivant conclut cette première partie en présentant le raisonnement à partir de cas. 

Dans la seconde partie du manuscrit, le chapitre 5 explicite l'architecture proposée pour intégrer les modules développés autour du système AI-VT initial et élargir ses fonctionnalités. Le chapitre 6 propose deux outils originaux fondés sur le raisonnement à partir de cas et les systèmes multi-agents pour résoudre des problèmes de régression de façon générique. Le chapitre 7 présente l'application de ces nouveaux outils de régression dans un  système de recommandation intégré à AI-VT utilisant le raisonnement bayésien et le processus de Hawkes pour renforcer l'apprentissage. Ce chapitre montre de quelle manière il permet de réviser une séance d'entraînement en cours.  

Enfin, une conclusion générale incluant des perspectives de recherche termine ce manuscrit.

\part{État de l'art}

\include{./chapters/contexte2.tex}

\include{./chapters/EIAH.tex}

\include{./chapters/CBR.tex}

\part{Contributions}

\include{./chapters/Architecture.tex}

\include{./chapters/ESCBR.tex}

\include{./chapters/TS.tex}

\include{./chapters/Conclusions.tex}

\include{./chapters/Publications.tex}

%\bibliographystyle{spimphdthesis}
\bibliographystyle{apalike}
 
%% Link the GENERAL bibliogaphy to a BibTeX file.
\bibliography{main.bib}

\end{document}
