Dans un contexte de croissance démographique dans lequel certaines ressources naturelles sont de plus en plus limitées, une gestion optimisée et conjointe des réseaux publics de l’eau et de l’électricité s’impose. L’ouverture progressive des marchés de l’électricité à la concurrence et les changements de réglementation dans plusieurs pays ont contribué au développement des mécanismes de la flexibilité de la demande, permettant d’impliquer directement les consommateurs dans la gestion de l’équilibre offre-demande du réseau électrique. Les systèmes d’eau potable, étant de grands consommateurs d’électricité, disposent d’une flexibilité grâce à la présence d’ouvrages de stockage d’eau (bâches et réservoirs) et de pompes à vitesse variable. Cette flexibilité, souvent exploitée uniquement à des fins de sécurisation des demandes en eau, peut être valorisée pour permettre une meilleure gestion de l’équilibre du réseau électrique. L’objectif de cette thèse est l’évaluation des valeurs économiques et écologiques relatives à l’intégration de la flexibilité des systèmes d’eau potable dans la gestion opérationnelle du système électrique français. Une étude de l’architecture des marchés de l’électricité en France est d’abord menée pour identifier les mécanismes de flexibilité de la demande les plus adaptés aux contraintes d’exploitation des systèmes d’eau. Des modèles mathématiques d’optimisation sont ensuite proposés et résolus à travers certaines heuristiques, en intégrant les incertitudes relatives aux consommations d’eau, aux prix des marchés ainsi qu’à la disponibilité des équipements de pompage. Les résultats numériques, discutés en se basant sur trois systèmes d’eau potable réels en France, intègrent les aspects économiques (en considérant les risques associés), opérationnels et écologiques. Des réductions importantes des coûts d’exploitation des systèmes d’eau sont estimées à travers la valorisation de l’énergie non consommée pendant les moments de pointe sur le marché spot de l’électricité. En parallèle, la considération des incertitudes permet de sécuriser l’opération des systèmes d’eau en temps réel, et de maîtriser les risques économiques relatifs à l’équilibrage du réseau électrique. De plus, des réductions importantes des émissions de CO2, estimées à environ 400 tonnes par jour en France, peuvent être réalisées en réduisant les volumes d’électricité issus des sources fossiles. / In a context of demographic growth in which natural resources are more and more limited, optimized management of water and power networks is required. Changes in electricity markets regulation in several countries have recently enabled effective integration of Demand Response mechanisms in power systems, making it possible to involve electricity consumers in the real-time balance of the power system. Through its flexible components (variable-speed pumps, tanks), drinking water systems, which are huge electricity consumers, are suitable candidates for energy-efficient Demand Response mechanisms. However, these systems are often managed independently of power system operation, for both economic and operational reasons. In this thesis, the objective is the evaluation of the economic and the ecological values related to the integration of drinking water systems flexibility into power system operation through french demand response mechanisms. An analysis of the architecture of french electricity markets is first conducted, allowing to target the most suitable demand response mechanisms considering water systems operating constraints. Some mathematical models to optimize water systems flexibility are then proposed and solved through original heuristics, integrating uncertainties about water demands, market prices and pumping stations availability. Numerical results, which are discussed using three real water systems in France, integrate the economic aspects inclunding risks, operational and ecological aspects. Significant reductions in water systems operating costs are estimated through the optimization of demand response power bids on the French spot power market during peak times. In parallel, uncertainties consideration secures the operation of water systems in real time, and makes it possible to manage economic risks related to the power grid balancing. In addition, significant savings in CO2 emissions, estimated to around 400 tons per day in France, can be achieved by reducing electricity production from fossil sources.

Les structures géologiques sont le plus souvent dessinées par interpolations de données dispersées. Un problème est de pouvoir contraindre ces interpolations par des règles géométriques et cinématiques. La méthode dite de l'équilibrage des structures en coupe illustre ce principe. Pour tester la compatibilité de structures à déformation hétérogène, on peut les diviser en éléments dont on considère la déformation comme homogène, mais cette technique est limitée. Une autre méthode, pour s'assurer de la compatibilité géométrique de zones plissées-faillées, consiste à tester la possibilité de restaurer de telles surfaces à leur état initial. Le principe de la méthode est de décrire ces surfaces par des éléments rigides plans et de les rabattre dans le plan horizontal par un programme de calcul (minimisation automatique de vides et de recouvrements). En dépliant différents blocs et en ajustant ces blocs le long de failles, il est possible de retrouver l'état antérieur à la déformation (continue et discontinue). Le programme (UNIX, FORTRAN, station de travail), a été initialement testé sur des exemples théoriques et expérimentaux, puis appliqué à des structures naturelles (gisements pétroliers) avec les applications suivantes: (1) en zone pétrolifère (ou minéralisée), le but est de dessiner au mieux les structures associées aux failles qui peuvent faire office de piège, ce qui permet de mieux contraindre les capacités du gisement et sa géométrie; (2) en l'utilisation plus géodynamique, le champ de déplacement fini associé à la déformation, traduite par les plis et les failles, peut être étudié.

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) mettent en oeuvre le métabolisme de micro-organismes et utilisent de la matière organique pour générer de l'énergie électrique. Les applications potentielles incluent le traitement d'eau usée autonome en énergie, les bio-batteries, et le grappillage d'énergie ambiante. Les PCMs sont des équipements basse-tension et basse-puissance dont le comportement est influencé par la vitesse à laquelle l'énergie électrique est récupérée. Dans cette thèse, on étudie des méthodes pour récupérer l'énergie électrique de façon efficace. La tension à laquelle l'énergie est récupérée des PCMs influence leur fonctionnement et leurs performances électriques. La puissance délivrée est maximum pour une tension spécifique (environ 1/3 de la tension en circuit-ouvert). Les PCMs ont été testées à ce point en utilisant une charge contrôlée automatiquement qui inclut un algorithme de recherche de puissance maximale. Un tel outil a été utilisé pour évaluer la puissance maximum, la vitesse de consommation du combustible, le rendement Coulombic et le rendement de conversion de 10 PCMs à chambre unique de 1.3 L, construites de façon similaire. Bien que d'autres choix structurels et opératoires peuvent permettre d'améliorer ces performances, ces résultats ont étudié pour la première fois les performances des PCMs en condition de production d'énergie de point de puissance maximal et les PCMs ont été testées avec des conditions de récupération d'énergie réalistes. Récupérer un maximum d'énergie des PCMs est la ligne directrice de ce rapport. Cela est rendu possible par des circuits dédiés de gestion de l'énergie qui embarquent un contrôle contre-réactif pour réguler la tension des PCMs à une valeur de référence qui est égale à une fraction de leur tension en circuit ouvert. Deux scénarios typiques sont développés dans la suite. Une application critique des PCMs concerne le grappillage autonome de petites énergies, pour alimenter des équipements électroniques basse-puissance (e.g. capteurs sans fil). Dans ce cas, les contraintes basse-puissance et basse-tension imposées par les PCMs nécessitent des fonctionnalités de démarrage autonomes. L'oscillateur d'Armstrong, composé d'inductances couplées à fort rapport d'enroulement et d'un interrupteur normalement-fermé permet d'élever des tensions de façon autonome à partir de sources basse-tension continues comme les PCMs. Ce circuit a été associé à des convertisseurs d'électronique de puissance AC/DC et DC/DC pour réaliser respectivement un élévateur-de-tension et une unité de gestion de l'énergie (UGE) auto-démarrante basée sur une architecture flyback. La première est adaptée pour les puissances inférieures à 1 mW, alors que la seconde peut être dimensionnée pour des niveaux de puissance de quelques mW et permet de mettre en oeuvre une commande qui recherche le point de puissance maximal du générateur. Une seconde application d'intérêt concerne le cas où de l'énergie est récupérée depuis plusieurs PCMs. L'association série peut être utilisée pour élever la tension de sortie mais elle peut avoir des conséquences négatives en terme de performances à cause des non-uniformités entre cellules. Cet aspect peut être résolu avec des circuits d'équilibrage de tension. Trois de ces circuits ont été analysés et évalués. Le circuit " complete disconnection " déconnecte une cellule défectueuse de l'association pour s'assurer qu'elle ne diminue pas le rendement global. Le circuit " switched-capacitor " transfère de l'énergie depuis les MFCs fortes vers les faibles pour équilibrer les tensions de toutes les cellules de l'association. Le circuit " switched-MFCs " connecte les PCMs en parallèle et en série de façon alternée. Chacune des trois méthodes peut être mise en oeuvre à bas prix et à haut rendement, la plus efficace étant la " switched-capacitor " qui permet de récupérer plus de 85 % de la puissance maximum idéale d'une association très largement non uniforme.

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 distribuées composées de ressources partagées entre différents participants peuvent rendre ces nouvelles capacités accessibles à tout chercheur et offrent 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 cette thèse, 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 obtenus 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 encouragé 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 la course vers l’exascale, les architectures des supercalculateurs évoluent vers des nœuds massivement multicœurs, sur lesquels les accès mémoire sont non-uniformes et les registres de vectorisation toujours plus grands. Ces évolutions entraînent une baisse de l’efficacité des applications homogènes (MPI simple), et imposent aux développeurs l’utilisation de fonctionnalités de bas-niveau afin d’obtenir de bonnes performances.Dans le contexte de la dynamique moléculaire (DM) appliqué à la physique de la matière condensée, les études du comportement des matériaux dans des conditions extrêmes requièrent la simulation de systèmes toujours plus grands avec une physique de plus en plus complexe. L’adaptation des codes de DM aux architectures exaflopiques est donc un enjeu essentiel.Cette thèse propose la conception et l’implémentation d’une plateforme dédiée à la simulation de très grands systèmes de DM sur les futurs supercalculateurs. Notre architecture s’organise autour de trois niveaux de parallélisme: décomposition de domaine avec MPI, du multithreading massif sur chaque domaine et un système de vectorisation explicite. Nous avons également inclus une capacité d’équilibrage dynamique de charge de calcul. La conception orienté objet a été particulièrement étudiée afin de préserver un niveau de programmation utilisable par des physiciens sans altérer les performances.Les premiers résultats montrent d’excellentes performances séquentielles, ainsi qu’une accélération quasi-linéaire sur plusieurs dizaines de milliers de cœurs. En production, nous constatons une accélération jusqu’à un facteur 30 par rapport au code utilisé actuellement par les chercheurs du CEA. / In the exascale race, supercomputer architectures are evolving towards massively multicore nodes with hierarchical memory structures and equipped with larger vectorization registers. These trends tend to make MPI-only applications less effective, and now require programmers to explicitly manage low-level elements to get decent performance.In the context of Molecular Dynamics (MD) applied to condensed matter physics, the need for a better understanding of materials behaviour under extreme conditions involves simulations of ever larger systems, on tens of thousands of cores. This will put molecular dynamics codes among software that are very likely to meet serious difficulties when it comes to fully exploit the performance of next generation processors.This thesis proposes the design and implementation of a high-performance, flexible and scalable framework dedicated to the simulation of large scale MD systems on future supercomputers. We managed to separate numerical modules from different expressions of parallelism, allowing developers not to care about optimizations and still obtain high levels of performance. Our architecture is organized in three levels of parallelism: domain decomposition using MPI, thread parallelization within each domain, and explicit vectorization. We also included a dynamic load balancing capability in order to equally share the workload among domains.Results on simple tests show excellent sequential performance and a quasi linear speedup on several thousands of cores on various architectures. When applied to production simulations, we report an acceleration up to a factor 30 compared to the code previously used by CEA’s researchers.

En raison de la capacité et de l'amélioration des performances informatiques, les représentations structurelles sont devenues de plus en plus populaires dans le domaine de la reconnaissance de formes (RF). Quand les objets sont structurés à base de graphes, le problme de la comparaison d'objets revient à un problme d'appariement de graphes (Graph Matching). Au cours de la dernière décennie, les chercheurs travaillant dans le domaine de l'appariement de graphes ont porté une attention particulière à la distance d'édition entre graphes (GED), notamment pour sa capacité à traiter différent types de graphes. GED a été ainsi appliquée sur des problématiques spécifiques qui varient de la reconnaissance de molécules à la classi fication d'images. / Due to the inherent genericity of graph-based representations, and thanks to the improvement of computer capacities, structural representations have become more and more popular in the field of Pattern Recognition (PR). In a graph-based representation, vertices and their attributes describe objects (or part of them) while edges represent interrelationships between the objects. Representing objects by graphs turns the problem of object comparison into graph matching (GM) where correspondences between vertices and edges of two graphs have to be found.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur la conception des lignes de désassemblageen contexte incertain. Une ligne de désassemblage consiste en unesuccession de postes de travail où les tâches sont exécutées séquentiellement au niveau de chaque poste. La conception d'un tel système, de revalorisationdes produits en fin de vie, peut être ramenée à un problème d'optimisation combinatoire.Ce dernier cherche à obtenir une configuration permettant d'optimiser certains objectifs enrespectant des contraintes techniques, économiques et écologiques.Dans un premier temps, nous décrivons les activités principales de la revalorisation des produitsen fin de vie, en particulier le désassemblage. Puis, après présentation des travaux de la littératureportant sur la prise en compte des incertitudes des durées opératoires lors de la conception des lignesde production, nous nous focalisons sur l'étude des incertitudes des durées opératoires des tâches de désassemblage.Ainsi, nous présentons trois modélisations principales avec leurs approches de résolution.La première s'intéresse à la minimisation des arrêts de la ligne causés par les incertitudes des durées des opérationsde désassemblage. La deuxième cherche à garantir un niveau opérationnel de la ligne lié à sa cadence de fonctionnement.Le but de la troisième modélisation est l'intégration des problématiques de conception des ligneset de séquencement des tâches de désassemblage. Enfin, les performances des méthodes de résolutionproposées sont présentées en analysant les résultats d'optimisation sur un ensemble d'instances de taille industrielle. / This thesis is dedicated to the problem of disassembly line design in uncertain context. A disassembly linecan be represented as a succession of workstations where tasks are performed sequentially at each workstation.The design of such a product recovery system can be reduced to a combinatorial optimization problem which seeksa line configuration that optimizes certain objectives under technical, economical and environmental constraints.We begin by describing the principal product recovery activities especially disassembly. Then, after a literaturereview on the design of production lines under uncertainty of task processing times, we focus our study on the consideration of the disassembly task time uncertainties. Hence, we present three main models as well as the associatedsolution approaches. The first one is interested in minimizing the line stoppages caused by the task processing timeuncertainties. The second one seeks to guarantee an operational level closely related with the line speed. The goal of thethird model is to integrate the line design and sequencing problems. At last, the performances of the proposed solutionapproaches are presented by analyzing the optimization results on a set of instances of industrial size.

Le jeu sérieux semble une piste pertinente pour ouvrir le musée à un jeune public et fournir une présentation originale des œuvres, tirant partie des possibilités des outils numériques. Des propositions existent déjà mais, à ma connaissance, sans réflexion globale sur la nature et les objectifs de ces jeux : quel type de jeu construire pour les musées ? Quelles expériences sont recherchées par les visiteurs joueurs ? Comment leur procurer à la fois une expérience satisfaisante de jeu et de visite ?L'étude que j'ai menée ici, à partir de l'analyse de travaux des projets de médiation numérique auxquels j'ai participé, d'études académiques sur les jeux sérieux et l'expérience des visiteurs et des joueurs et de mon expérience professionnelle dans le domaine de la médiation et du développement informatique, apporte des réponses à ces différentes questions. Elle propose la notion de "jeu de visite", adapté à un public plus différencié et en conçoit une modélisation autour de la notion de "mission adaptable". Elle permet une modification dynamique des constituants du jeu et de son contexte d'exécution, en fonction de l'expérience recherchée par et pour le visiteur joueur. / Serious games seem a relevant proposition for a more open offer for young audience and a more creative works' presentations taking advantages of the opportunities of digital technologies. Such proposition already exist but, as far as I know, what they should be exactly has never been studied. What kind of games are the more appropriate for museums ? Which experiences do gaming visitors expect ? How to manage their satisfaction about their visit and about playing a real game ? These are the questions this PhD thesis contribute to answer.I based my reflection and my proposals on the analyse of projects devoted to cultural mediation in which I participated, on the research studies about serious games, visitors and gamers experience and on my professional background in cultural mediation and software engineering. I propose the notion of "visit game", appropriate for a more differentiated public, and build a model of this type of game around the concept of "adaptable mission". It allows to dynamically modify its components and its context of execution, depending on the experience expected by and for the gaming visitor.

Cette thèse, réalisée en collaboration avec le Groupe Renault dans le cadre d’un projet d’automatisation du kitting, s’intéresse à l’optimisation du processus de kitting en termes de maximisation du temps de cycle. Pour cela, nous étudions différentes configurations de système de kitting hybride avec robots(s) et opérateur(s) travaillant en série et séparés par un stock de découplage. Le(s) robot(s) commence(nt) la préparation des kits de pièces puis le(s) opérateur(s) se trouvant dans la partie manuelle du kitting récupère(nt) cette préparation et la complète(nt) avec les pièces affectées à cette zone.Notre objectif est de développer un outil d’aide à la décision permettant d’évaluer la performance d’un kitting hybride et de simuler son fonctionnement dans une configuration donnée (layout, politique de picking, etc.) avant son déploiement physique.Tout d’abord, à travers une modélisation des opérationsélémentaires de kitting effectuées par des robots et des opérateurs (prise et dépose, déplacement, etc.), nous proposons un modèle de temps de cycle permettant d’évaluer la performance du système hybride en termes de temps de cycle. Ensuite, nous développons un modèle d’affectation de pièces (PLMNE) permettant de les répartir entre kitting robotisé et manuel. L’objectif est de minimiser les temps de cycle et d’équilibrer la charge de travail entre les deux modes de kitting. Le modèle est appliqué à deux études de cas pratiques issues d’une usine Renault. Les résultats permettent d’identifier les paramètres qui impactent le plus les temps de cycle et le choix d’affectation des pièces entre kitting automatisé et manuel. Enfin, nous développons un modèle de simulation afin de calculer la taille optimale du stock de découplage entre kitting automatisé et manuel dans le but de maximiser la cadence du système hybride de kitting. / In this thesis, conducted with Renault in the context of a kitting automation project, we are interested in the optimisation of kitting processes in terms of cycle time maximisation. To do so, we study different configurations of hybrid robot-operator kitting systems where robots (two types of robots considered) and operators are connected in series by an intermediate buffer (to decouple their activities). The robotic kitting area starts the preparation of kits then the operators in the manual kitting area retrieve the preparation of robots and complete with the remaining parts.Our objective is to develop a decision-making tool that assesses the hybrid system performance in a given configuration (layout, picking policy, etc.).First, through a modelling of elementary kitting operations performed by robots and operators (pick and place, travel, etc.), we develop a cycle time model to assess the performance of hybrid kitting systems. Then, we develop an assignment model that assigns parts (formulated as a mixed integer linear programming (MILP) problem) either to robotic or manual kitting areas with the objective of minimising cycle times and balancing workload between them. The model is applied to two case studies pertaining to a Renault plant. This analysis identifies the parameters that influence cycle times and the choice between robotic and manual kitting. Finally, we develop a simulation model to find the optimal buffer size between robotic and manual kitting so that throughput is maximised.

Le réseau mobile d’Orange France comprend plus de 100 000 antennes 2G, 3G et 4G sur plusieurs bandes de fréquences sans compter les nombreuses femto-cells fournies aux clients pour résoudre les problèmes de couverture. Ces chiffres ne feront que s’accroître pour répondre à la demande sans cesse croissante des clients pour les données mobiles. Cela illustre le défi énorme que rencontrent les opérateurs de téléphonie mobile en général à savoir gérer un réseau aussi complexe tout en limitant les coûts d’opération pour rester compétitifs. Cette thèse s’attache à utiliser le concept SON (réseaux auto-organisants) pour réduire cette complexité en automatisant les tâches répétitives ou complexes. Plus spécifiquement, nous proposons des algorithmes d’optimisation automatique pour des scénarios liés à la densification par les small cells ou les antennes actives. Nous abordons les problèmes classiques d’équilibrage de charge mais avec un lien backhaul à capacité limitée et de coordination d’interférence que ce soit dans le domaine temporel (notamment avec le eICIC) ou le domaine fréquentiel. Nous proposons aussi des algorithmes d’activation optimale de certaines fonctionnalités lorsque cette activation n’est pas toujours bénéfique. Pour la formulation mathématique et la résolution de tous ces algorithmes, nous nous appuyons sur les résultats de l’approximation stochastique et de l’optimisation convexe. Nous proposons aussi une méthodologie systématique pour la coordination de multiples fonctionnalités SON qui seraient exécutées en parallèle. Cette méthodologie est basée sur les jeux concaves et l’optimisation convexe avec comme contraintes des inégalités matricielles linéaires. / The mobile network of Orange in France comprises more than 100 000 2G, 3G and 4G antennas with severalfrequency bands, not to mention many femto-cells for deep-indoor coverage. These numbers will continue toincrease in order to address the customers’ exponentially increasing need for mobile data. This is an illustrationof the challenge faced by the mobile operators for operating such a complex network with low OperationalExpenditures (OPEX) in order to stay competitive. This thesis is about leveraging the Self-Organizing Network(SON) concept to reduce this complexity by automating repetitive or complex tasks. We specifically proposeautomatic optimization algorithms for scenarios related to network densification using either small cells orActive Antenna Systems (AASs) used for Vertical Sectorization (VeSn), Virtual Sectorization (ViSn) and multilevelbeamforming. Problems such as load balancing with limited-capacity backhaul and interference coordination eitherin time-domain (eICIC) or in frequency-domain are tackled. We also propose optimal activation algorithms forVeSn and ViSn when their activation is not always beneficial. We make use of results from stochastic approximationand convex optimization for the mathematical formulation of the problems and their solutions. We also proposea generic methodology for the coordination of multiple SON algorithms running in parallel using results fromconcave game theory and Linear Matrix Inequality (LMI)-constrained optimization.