L'objectif de la thèse est de créer et développer de nouvelles méthodes de résolution efficaces des problèmes combinatoires en configuration des lignes de fabrication. Deux problèmes ont été particulièrement étudiés: le problème d'équilibrage et de choix d'équipement pour des lignes dédiées et le problème de minimisation des coûts de changements de séries pour des lignes multi-produits. Une solution du premier problème consiste en une affectation admissible des ressources à un nombre de stations à déterminer de sorte que le coût total soit minimal. Afin de résoudre ce problème, nous l'avons réduit au problème de partition d'ensemble et l'avons résolu par des heuristiques gloutonnes et une méthode exacte de génération de contraintes. Les expérimentations sur différentes instances ont montré que la nouvelle approche de résolution surclasse les approches antérieures de la littérature en termes de qualité de solution et de temps de calcul. Pour le second problème deux critères sont considérés lexicographiquement : la minimisation du nombre de stations et la minimisation du coût de changement de séries. Nous avons examiné successivement les cas d'exécution parallèle et séquentielle des opérations. Des solutions approchées ont été trouvées par des heuristiques gloutonnes. Ensuite, nous avons proposé deux modèles de programmation linéaire en nombres entiers (PLNE) afin de trouver le nombre de stations minimal et ensuite d'obtenir le coût de changement de séries minimal. Les résultats des expérimentations sur ces nouveaux problèmes se sont avérés prometteurs à la fois en termes de qualité de solution et de temps de calcul. / The objective of this thesis is to create and develop new effective solution methods for production line configuration problems. Two problems were studied: the equipment selection and balancing problem for dedicated lines and the setup cost minimization problem for multi-product lines. A solution for the first problem consists in a feasible assignment of the resources to an unknown number of stations so that the total cost is minimized. In order to solve this problem, we reduced it to the set partitioning problem and solved it by greedy heuristics and an exact method of constraint generation. The computer experiments on different problem instances showed that the new solution approach outperforms the previous methods from the literature both in terms of solution quality and computational time. For the second problem two criteria were considered lexicographically: the minimization of the number of stations and the minimization of the total setup cost. We examined successively the cases with parallel and sequential execution of operations. Approximate solutions were found by greedy heuristics. Then, we proposed two integer programming models in order to obtain the minimal number of stations and then the minimal setup cost. The experimental results for this new problem proved to be promising both in terms of solution quality and computational time.

Le nombre de smartphones vendus a récemment dépassé celui des ordinateurs. Ces appareils tendent à regrouper de plus en plus de fonctions, ceci grâce à des applications de plus en plus variées telles que la vidéo conférence, la réalité augmentée, ou encore les jeux vidéo. Le support de ces applications est assuré par des ressources de calculs hétérogènes qui sont spécifiques aux différents types de traitements et qui respectent les performances requises et les contraintes de consommation du système. Les applications graphiques, telles que les jeux vidéo, sont par exemple accélérées par un processeur graphique. Cependant les applications deviennent de plus en plus complexes. Une application de réalité augmentée va par exemple nécessiter du traitement d'image, du rendu graphique et un traitement des informations à afficher. Cette complexité induit souvent une variation de la charge de travail qui impacte les performances et donc les besoins en puissance de calcul de l'application. Ainsi, la parallélisation de l'application, généralement prévue pour une certaine charge, devient inappropriée. Ceci induit un gaspillage des ressources de calcul qui pourraient être exploitées par d'autres applications ou par d'autres étages de l'application. Un pipeline de rendu graphique a été choisi comme cas d'utilisation car c'est une application dynamique et qui est de plus en plus répandu dans les appareils mobiles. Cette application a été implémentée et parallélisée sur un simulateur d'architecture multi-cœurs. Un profilage a confirmé l'aspect dynamique, le temps de calcul de chaque donnée ainsi que le nombre d'objets à calculer variant de manière significative dans le temps et que la meilleure répartition du parallélisme évolue en fonction de la scène rendue. Ceci nous a amenés à définir un système permettant d'adapter, au fil de l'exécution, le parallélisme d'une application en fonction d'une prédiction faite de ses besoins. Le choix d'un nouveau parallélisme nécessite de connaître les besoins en puissance de calcul des différents étages, en surveillant les transferts de données entre les étages de l'application. Enfin, l'adaptation du parallélisme implique une nouvelle répartition des tâches en fonction des besoins des différents étages qui est effectuée grâce à un contrôleur central. Le système a été implémenté dans un simulateur précis au niveau TTLM afin d'estimer les gains de performances permis par l'adaptation dynamique. Une architecture permettant l'accélération de différents types d'applications que ce soit généralistes ou graphiques a été définie et comparée à d'autres architectures multi-cœurs. Le coût matériel de cette architecture a de plus été quantifié. Ainsi, pour un support matériel dont la complexité est inférieure à 1,5 % du design complet, on démontre des gains de performance allant jusqu'à 20 % par rapport à certains déploiements statiques, ainsi que la capacité à gérer dynamiquement un nombre de ressources de calcul variable. / The amount of smartphone sales recently surpassed the desktop computer ones. This is mainly due to the smart integration of many functionalities in the same architecture. This is also due to the wide variety of supported applications like augmented reality, video conferencing and video games. The support of these applications is made by heterogeneous computing resources specialized to support each application type thus allowing to meet required performance and power consumption. For example, multimedia applications are accelerated by hardware modules that help video encoding and decoding and video game 3D rendering is accelerated by specialized processors (GPU). However, applications become more and more complicated. As an example, augmented reality requires image processing, 3D rendering and computing the information to display. This complexity often comes with a variation of the computing load, which dynamically changes application performance requirements. When this application is implemented in parallel, the way parallelism is chosen for a specific workload, becomes inefficient for a different one. This leads to a waste in computing resources and our objective is to optimize the usage of all available computing resources at runtime. The selected use case is a graphic rendering pipeline application because it is a dynamic application, which is also widely used in mobile devices. This application has been implemented and parallelized on a multicore architecture simulator. The profiling shows that the dynamicity of the application, the time and the amount of data needed to compute vary. The profiling also shows that the best balance of the parallelism depends on the rendered scene; a dynamic load balancing is therefore required for this application. These studies brought us about defining a system allowing to dynamically adapt the application parallelism depending on a prediction of its computing requirements, which can be performed by monitoring the data exchanges between the application tasks. Then the new parallelism is calculated for each stage by a central controller that manages the whole application. This system has been implemented in a Timed-TLM simulator in order to estimate performance improvements allowed by the dynamic adaptation. An architecture allowing to accelerate mobile applications, such as general-purpose and 3D applications, has been defined and compared to other multicore architectures. The hardware complexity and the performance of the architecture have also been estimated. For an increased complexity lower that 1,5%, we demonstrate performance improvements up to 20% compared with static parallelisms. We also demonstrated the ability to support a variable amount of resources.

Ce mémoire traite de nouveaux principes de conception qui sont inspirés par le couplage de deux unités représentant les différentes structures mécaniques. Les critères de conception optimale et les types d'unités combinées sont différents. Cependant, toutes les tâches sont considérées dans le couplage de ces unités. L'examen critique présenté dans le premier chapitre est divisé en trois sections en raison de la nature des problèmes traités: les robots marcheurs, les compensateurs de gravité et les robots collaboratifs. Le deuxième chapitre traite du développement de robots marcheurs à actionneur unique, conçus par couplage de deux mécanismes ayant les fonctionnants de jambe. Basée sur l'algorithme génétique, la synthèse proposée permet d'assurer la reproduction de la trajectoire obtenue à partir de la marche humaine. Par l'ajustement des paramètres géométriques des unités conçues, il devient possible non seulement d'assurer une marche du robot à des pas variables, mais également de monter les escaliers. Ensuite la conception et la synthèse des équilibreurs pour les robots sont considérés. Un costume robotisé type exosquelette permettant d'aider aux personnes transportant des charges lourdes est examiné dans le chapitre suivant La conception proposée présente une symbiose d'un support rigide et léger et d'un système de câbles monté sur ce support. L'étude et l'optimisation statique et dynamique ont conduit aux tests sur un mannequin. Le dernier chapitre propose l'étude et 'optimisation d'un système couplé, comprenant un manipulateur équilibré à commande manuelle et un robot collaboratif. Le but d'une telle coopération est de manipuler de lourdes charges avec un cobot. / This thesis deals with the design principles, which arc based on the coupling of two mechanical structures. The criteria for optimal design and the types of combined units are different. However, all the tasks are considered in coupling of given mechanical units. The critical review given in the first chapter is divided into three sections due to the nature of the examined problems: legged walking robots, gravity compensators used in robots and collaborative robots. Chapter two deals with the development of single actuator walking robots designed by coupling of two mechanisms. Based on the Genetic Algorithm, the synthesis allows one to ensure the reproduction of prescribed points of the given trajectory obtained from the walking gait. By adjusting the geometric parameters of the designed units, it becomes possible not only to operate the robot at variable steps, but also to climb the stairs. The next chapter deals with the design and synthesis of gravity balancers. A robotic exosuit that can help people carrying heavy load is the subject of chapter four. The proposed exosuit presents a symbiosis of two systems: rigid lightweight support and cable system. Static and dynamic studies and optimization are considered. Experiments are also carried out on a mannequin test bench. The last chapter presents a coupled system including a hand-operated balanced manipulator and a collaborative robot. The aim of such a cooperation is to manipulate heavy payloads with less powerful robots. Dynamic analysis of the coupled system is perfonned and methods for reducing the oscillation of the HOBM at the final phase of the prescribed trajectories are proposed.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressée à la mise en oeuvre d'algorithmes itératifs sur des grappes hétérogènes. Ces algorithmes fonctionnent avec un volume important de données (calcul de matrices, traitement d'images, etc.), qui sera réparti sur l'ensemble des processeurs. À chaque itération, des calculs indépendants sont effectués en parallèle et certaines communications ont lieu. Il n'existe pas de raison a priori de réduire le partitionnement des données à une unique dimension et de ne l'appliquer que sur un anneau de processeurs unidimensionnel. Cependant, un tel partitionnement est très naturel et nous montrerons que trouver l'optimal est déjà très difficile. Après cette étude sur le placement et l'équilibrage de charge pour plates-formes hétérogènes, nous nous sommes intéressée à la redistribution de données sur ces mêmes plates-formes, lorsque que les caractéristiques de ces dernières changent. En ce qui concerne les anneaux de processeurs homogènes, nous avons totalement résolu le problème : nous avons obtenu des algorithmes optimaux et prouvé leur exactitude dans le cas homogène et dans le cas hétérogène. En ce qui concerne les anneaux hétérogènes, le cas unidirectionnel a été totalement résolu, alors que le cas bidirectionnel reste ouvert. Cependant, sous l'hypothèse de redistribution légère, nous sommes capable de résoudre le problème de manière optimale.

Les méthodes numériques adaptatives constituent un outil de choix pour assurer la pertinence et l'efficacité de la résolution numérique d'équations aux dérivées partielles. Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la conception, l'implémentation, et la validation d'une telle méthode au sein d'une plate-forme industrielle de simulation en thermohydraulique. Du point de vue géométrique, la méthode proposée permet de prendre en compte tant le raffinement du maillage que son déraffinement, tout en garantissant la qualité des éléments qui le compose. Du point de vue numérique, nous utilisons le formalisme des éléments joints pour étendre la méthode des Volumes-Éléments Finis proposée par la plate-forme Trio-U et traiter convenablement les maillages non-conformes générés par la procédure d'adaptation. Enfin, l'implémentation proposée repose sur les concepts des méthodes de décomposition de domaine, afin d'en garantir le bon comportement dans un contexte d'exécution parallèle.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception de systèmes de fabrication en contexte incertain. La conception d'un tel système peut être vue comme un problème d'optimisation qui consiste à trouver une configuration qui permet d'optimiser certains objectifs tout en respectant des contraintes technologiques et économiques connues. Les systèmes de fabrication étudiés dans ce mémoire sont des lignes d'assemblage et d'usinage. La première est une ligne qui se présente comme une chaîne de postes de travail où, dans chaque poste, les opérations d'assemblage s'exécutent de manière séquentielle. La deuxième, quant à elle, est une ligne particulière qui se compose de machines de transfert comportant plusieurs boîtiers multibroches où les opérations s'exécutent simultanément. Dans un premier temps, nous décrivons de différentes approches permettant de modéliser l'incertitude des données en optimisation. Une attention particulière est portée sur les deux approches suivantes : l'approche robuste et l'analyse de sensibilité. Puis, nous présentons trois applications : la conception d'une ligne d'assemblage et d'une ligne d'usinage soumises aux variations de temps opératoires et la conception d'une ligne d'assemblage avec les temps opératoires connus sous la forme d'intervalles des valeurs possibles. Pour chaque application, nous identifions les performances attendues ainsi que la complexité de la prise en compte de l'incertitude. Ensuite, nous proposons de nouveaux critères d'optimisation en adéquation avec la problématique introduite. Enfin des méthodes de résolution sont développées pour appréhender les différents problèmes mis en évidence par ces critères.

UN ONDULEUR MULTICELLULAIRE SERIE (STRUCTURE MEYNARD-FOCH) EST UTILISE POUR LES APPLICATIONS HAUTE TENSION ET PERMET L'AMELIORATION DES FORMES D'ONDE DE LA TENSION DE SORTIE, TOUT EN CONSERVANT UNE BONNE REPARTITION DES CONTRAINTES DE COMMUTATEUR. LA STABILITE DU SYSTEME SOUMIS A UNE COMMANDE PERIODIQUE EST ETUDIEE, EN PARTICULIER L'ENSEMBLE DES SINGULARITES LIEES A LA COMMANDE MLI SYMETRIQUE EST EXHIBE DANS LE CAS TRIPHASE. LA COMMANDE A POUR OBJET DE REGULER LES TENSIONS DE CONDENSATEUR DE LA STRUCTURE TOUT EN RESPECTANT UN PROFIL IMPOSE DE TENSION DE SORTIE. LA COMMANDE PROPOSEE PERMET D'OBTENIR SIMULTANEMENT UNE DYNAMIQUE RAPIDE (COMPARABLE A CELLE DES MODES GLISSANTS) ET UN CONTENU HARMONIQUE INTERESSANT TOUT EN RESPECTANT LES CONTRAINTES DE COMMUTATION. CETTE COMMANDE ACTIVE A FREQUENCE FIXE, EST BASEE SUR UNE EXPLOITATION DES CONFIGURATIONS EQUIVALENTES DU POINT DE VUE DE LA TENSION DE SORTIE. UNE COMMANDE PERIODIQUE PASSIVE EST EGALEMENT PRESENTEE. CES DEUX COMMANDES S'APPLIQUENT A UN NOMBRE QUELCONQUE DE CELLULES. LA MISE EN UVRE DES COMMANDES ACTIVES NECESSITE L'OBSERVATION DES TENSIONS DE CONDENSATEUR. DEUX CAS SONT TRAITES SELON QUE LES MESURES DE TENSION OU DE COURANT SONT DISPONIBLES. POUR FINIR, LE TOUT EST VALIDE EN SIMULATION PAR LA COMMANDE MULTINIVEAUX D'UN MOTEUR ASYNCHRONE. L'ASPECT TEMPS REEL A ETE UN SOUCIS PERMANENT.

La course à l'augmentation de la puissance de calcul qui se déroule depuis de nombreuses années entre les différents producteurs de matériel a depuis quelques années changé de visage: nous assistons en effet désormais à une véritable démocratisation des machines parallèles avec une complexification sans cesse croissante de la structure des processeurs. À terme, il est tout à fait envisageable de voir apparaître pour le grand public des architecture pleinement hétérogènes composées d'un ensemble de cœurs reliés par un réseau sur puce. La parallélisation et l'exécution parallèle d'applications sur les machines à venir soulèvent ainsi de nombreux problèmes. Parmi ceux-ci, nous nous intéressons ici au problème de l'ordonnancement d'un ensemble de tâches sur un ensemble de cœurs, c'est à dire le choix de l'affectation du travail à réaliser sur les ressources disponibles. Parmi les méthodes existantes, on distingue deux types d'algorithmes: en-ligne et hors-ligne. Les algorithmes en-ligne comme le vol de travail présentent l'avantage de fonctionner en l'absence d'informations sur le matériel ou la durée des tâches mais ne permettent généralement pas une gestion efficace des communications. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'ordonnancement de tâches en-ligne sur des plates-formes complexes pour lesquelles le réseau peut, par des problèmes de congestion, limiter les performances. Plus précisément, nous proposons de nouveaux algorithmes d'ordonnancement en-ligne, basés sur le vol de travail, ciblant deux configurations différentes. D'une part, nous considérons des applications pour lesquelles le graphe de dépendance est connu à priori. L'utilisation de cette information nous permet ainsi de limiter les quantités de données transférées et d'obtenir des performances supérieures aux meilleurs algorithmes hors-ligne connus. D'autre part, nous étudions les optimisations possibles lorsque l'algorithme d'ordonnancement connaît la topologie de la plate-forme. Encore une fois, nous montrons qu'il est possible de tirer parti de cette information pour réaliser un gain non-négligeable en performance. Nos travaux permettent ainsi d'étendre le champ d'application des algorithmes d'ordonnancement vers des architectures plus complexes et permettront peut-être une meilleure utilisation des machines de demain.

L'informatique a changé profondément les aspects méthodologiques du processus de découverte dans les différents domaines du savoir. Les chercheurs ont à leur disposition aujourd'hui de nouvelles capacités qui permettent d'envisager la résolution de nouveaux problèmes. Les plates-formes parallèles et distribués composées de ressources partagés entre différents participants peuvent rendre ces nouvelles capacités accessibles à tout chercheur et offre une puissance de calcul qui a été limitée jusqu'à présent, aux projets scientifiques les plus grands (et les plus riches). Dans ce document qui regroupe les résultats obtenus pendant mon doctorat, nous explorons quatre facettes différentes de la façon dont les organisations s'engagent dans une collaboration sur de plates-formes parallèles et distribuées. En utilisant des outils classiques de l'analyse combinatoire, de l'ordonnancement multi-objectif et de la théorie des jeux, nous avons montré comment calculer des ordonnancements avec un bon compromis entre les résultats obtenu par les participants et la performance globale de la plate-forme. En assurant des résultats justes et en garantissant des améliorations de performance pour les différents participants, nous pouvons créer une plate-forme efficace où chacun se sent toujours encourager à collaborer et à partager ses ressources. Tout d'abord, nous étudions la collaboration entre organisations égoïstes. Nous montrons que le comportement égoïste entre les participants impose une borne inférieure sur le makespan global. Nous présentons des algorithmes qui font face à l'égoïsme des organisations et qui présentent des résultats équitables. La seconde étude porte sur la collaboration entre les organisations qui peuvent tolérer une dégradation limitée de leur performance si cela peut aider à améliorer le makespan global. Nous améliorons les bornes d'inapproximabilité connues sur ce problème et nous présentons de nouveaux algorithmes dont les garanties sont proches de l'ensemble de Pareto (qui regroupe les meilleures solutions possibles). La troisième forme de collaboration étudiée est celle entre des participants rationnels qui peuvent choisir la meilleure stratégie pour leur tâches. Nous présentons un modèle de jeu non coopératif pour le problème et nous montrons comment l'utilisation de "coordination mechanisms" permet la création d'équilibres approchés avec un prix de l'anarchie borné. Finalement, nous étudions la collaboration entre utilisateurs partageant un ensemble de ressources communes. Nous présentons une méthode qui énumère la frontière des solutions avec des meilleurs compromis pour les utilisateurs et sélectionne la solution qui apporte la meilleure performance globale.

Dans le cadre du projet PAJERO, nous présentons dans cette thèse une parallélisation externe d'un solveur de Programmation Par Contraintes (PPC) basée sur des méthodes de parallélisation de la search et Portfolio. Cela, afin d'améliorer la performance de la résolution des problèmes de satisfaction et d'optimisation sous contraintes. La parallélisation de la search que nous proposons est adaptée pour une exécution en mode opportuniste et déterministe, suivant les besoins des clients. Le principe consiste à partitionner à la demande l'arbre de recherche unique généré par une seule stratégie de recherche en un ensemble de sous-arbres, pour ensuite affecter chaque sous-arbre à un coeur de calcul. Une stratégie de recherche est un algorithme qui choisit pour chaque noeud dans l'arbre de recherche la variable à assigner et choisi également l'ordonnancement de la recherche. En PPC, il existe plusieurs stratégies de recherche, certaines sont plus efficaces que d'autres, mais cela dépend généralement de la nature des problèmesde contraintes. Cependant la difficulté reste de choisir la bonne stratégie. Pour bénéficier de la variété des stratégies et de la disponibilité des ressources de calcul, un autre type de parallélisation est proposé, appelé Portfolio. La parallélisationPortfolio consiste à exécuter en parallèle N stratégies de recherche, ensuite la première stratégie qui trouve une solution met fin à toutes les autres. La nouveauté que nous proposons dans la parallélisation Portfolio consiste à adapterl'ordonnancement des N stratégies entre elles afin de privilégier la stratégie la plus prometteuse. Cela en lui donnant plus de coeurs que les autres. Pour ceci nous appliquons soit une fonction d'estimation pour chaque stratégie afin de sélectionner la stratégie qui a le plus petit arbre de recherche, soit un algorithme d'apprentissage qui permet de prédire quelle est la meilleure stratégie suivant le résultat d'un apprentissage effectué sur des instances déjà résolues. Afin d'ordonnancer plusieurs applications de PPC, nous proposons également un nouveau système d'allocation de ressources basé sur une stratégie d'ordonnancement combinée avec un modèle économique. Les applications de PPC sont résolues avec des solveurs parallèles dans une infrastructure cloud computing. L'originalité du system d'allocation est qu'il détermine automatiquement le nombre de ressources à affecter pour chaque application suivant la classe économique du client. Les performances obtenues avec nos méthodes de parallélisation sont illustrées par la résolution des problèmes de contraintes en portant le solveur Google OR-Tools au-dessus de notre framework parallèle Bobpp / In the context of the PAJERO project, we propose in this thesis an external parallelization of a Constraint Programming (CP) solver, using both search and Portfolio parallelizations, in order to solve constraint satisfaction and optimization problems. In our work the search parallelization is adapted for deterministic and non-deterministic executions, according to the needs of the user. The principle is to partition the unique search tree generated by one search strategy into a set of sub-trees, then assign each sub-tree to one computing core. A search strategy herein means an algorithm to decide which variable is selected to be assigned in each node of the search tree, and decide also the scheduling of the search. In CP, several search strategies exist and each one could be better than others for solving a specific problem. The difficulty lies in how to choose the best strategy. To benefit from the variety of strategies and the availability of computationalresources, another parallelization exists called the Portfolio parallelization. The principle of this Portfolio parallelization is to execute N search strategies in parallel. The first strategy which find a solution stops the others. The noveltyof our work in the context of the Portfolio is to adapt the schedule of the N strategies in order to favour the most promising strategy, which is a candidate to find a solution first, by giving it more cores than others. The promising strategyis selected using two methods. The first method is to use an estimation function which select the strategy with the smallest search tree. The second method is to use a learning algorithm which automatically determines the number of cores thatwill be allocated to each strategy according to the previous experiment. We have also proposed a new resource allocation system based on a scheduling strategy used with an economic model in order to execute several PPC applications. Thisapplications are solved using parallel solvers in the cloud computing infrastructure. The originality of this system is that the number of resources allocated to each PPC application is determined automatically according the economic classesof the users. The performances obtained by our parallelization methods are illustrated by solving the CP problems using the Google OR-Tools solver on top of the parallel Bobpp framework.