Les propriétés pharmacocinétiques d’un nouveau médicament et les risques d’interactions médicamenteuses doivent être investigués très tôt dans le processus de recherche et développement. L’objectif principal de cette thèse était de concevoir des approches prédictives de modélisation du devenir du médicament dans l’organisme en présence et en absence de modulation d’activité métabolique et de transport. Le premier volet de recherche consistait à intégrer dans un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK), le transport d’efflux membranaire gouverné par les glycoprotéines-P (P-gp) dans le cœur et le cerveau. Cette approche, basée sur des extrapolations in vitro-in vivo, a permis de prédire la distribution tissulaire de la dompéridone chez des souris normales et des souris déficientes pour les gènes codant pour la P-gp. Le modèle a confirmé le rôle protecteur des P-gp au niveau cérébral, et a suggéré un rôle négligeable des P-gp dans la distribution tissulaire cardiaque pour la dompéridone. Le deuxième volet de cette recherche était de procéder à l’analyse de sensibilité globale (ASG) du modèle PBPK précédemment développé, afin d’identifier les paramètres importants impliqués dans la variabilité des prédictions, tout en tenant compte des corrélations entre les paramètres physiologiques. Les paramètres importants ont été identifiés et étaient principalement les paramètres limitants des mécanismes de transport à travers la membrane capillaire. Le dernier volet du projet doctoral consistait à développer un modèle PBPK apte à prédire les profils plasmatiques et paramètres pharmacocinétiques de substrats de CYP3A administrés par voie orale à des volontaires sains, et de quantifier l’impact d’interactions médicamenteuses métaboliques (IMM) sur la pharmacocinétique de ces substrats. Les prédictions des profils plasmatiques et des paramètres pharmacocinétiques des substrats des CYP3A ont été très comparables à ceux mesurés lors d’études cliniques. Quelques écarts ont été observés entre les prédictions et les profils plasmatiques cliniques mesurés lors d’IMM. Cependant, l’impact de ces inhibitions sur les paramètres pharmacocinétiques des substrats étudiés et l’effet inhibiteur des furanocoumarins contenus dans le jus de pamplemousse ont été prédits dans un intervalle d’erreur très acceptable. Ces travaux ont contribué à démontrer la capacité des modèles PBPK à prédire les impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses avec une précision acceptable et prometteuse. / Early knowledge of pharmacokinetic properties of a new drug candidate and good characterization of the impact of drug-drug interaction (DDI) on those properties is of crucial importance in the process of drug research and development. The main objective of this thesis consisted in the conception of PBPK models able to predict the drug disposition in the absence and presence of metabolic and transport activity modulation. The first part of this work aimed to develop a PBPK model that incorporates the efflux function of P-gp expressed in various tissues, in order to predict the impact of P-gp activity modulation on drug distribution. This approach, based on in vivo-in vitro extrapolation for estimating the transport-related parameters, allowed the prediction of domperidone distribution in heart and brain of wild-type mice and P-gp deficient mice. The model pointed out the protective function of P-gp in brain whereas it showed the negligible protective effect of P-gp in heart. The second part of the project aimed to perform the global sensitivity analysis of the previous PBPK model, in order to investigate how the uncertainly and variability of the correlated physiological parameters influence the outcome of the drug distribution process. While a moderate variability of the model predictions was observed, this analysis confirmed the importance for a better quantitative characterization of parameters related to the transport processes trough the blood-tissue membrane. Accounting for the input correlation allowed the delineation of the true contribution of each input to the variability of the model outcome. The last part of the project consisted in predicting the pharmacokinetics of selected CYP3A substrates administered at a single oral dose to human, alone or with an inhibitor. Successful predictions were obtained for a single administration of the CYP3A substrates. Some deviations were observed between the predictions and in vivo plasma profiles in the presence of DDI. However, the impact of inhibition on the PK parameters of the selected substrates and the impact of grapefruit juice-mediated inhibition on the extent of intestinal pre-systemic elimination were predicted within a very acceptable error range. Overall, this thesis demonstrated the ability of PBPK models to predict DDI with promising accuracy.

Le terme de méta-analyse désigne l'analyse statique d'un large ensemble de résultats provenant d'études individuelles pour un même sujet donné. Cette approche est de plus en plus étudiée dans différents domaines, notamment en agronomie. Dans cette discipline, une revue bibliographique réalisée dans le cadre de la thèse a cependant montré que les méta-analyses n'étaient pas toujours de bonne qualité. Les méta-analyses effectuées en agronomie étudient ainsi très rarement la robustesse de leurs conclusions aux données utilisées et aux méthodes statistiques. L'objectif de cette thèse est de démontrer et d'illustrer l'importance des analyses de sensibilité dans le cadre de la méta-analyse en s'appuyant sur l'exemple de l'estimation des émissions de N2O provenant des sols agricoles. L'estimation des émissions de protoxyde d'azote (N2O) est réalisée à l'échelle mondaile par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC). Le N2O est un puissant gaz à effet de serre avec un pouvoir de réchauffement 298 fois plus puissant que le CO2 sur une période de 100 ans. Les émissions de N2O ont la particularité de présenter une forte variabilité spatiale et temporelle. Deux bases de données sont utilisées dans ce travail : la base de données de Rochette et Janzen (2005) et celle de Stehfest et Bouwman (2006). Elles recensent de nombreuses mesures d'émissions de N2O réparties dans le monde provenant d'études publiées et ont joué un rôle important lors des estimations d'émissions de N2O réalisées par le GIEC. Les résultats montrent l'intérêt des modèles à effets aléatoires pour estimer les émissions de NO2 issues de sols agricoles. Ils sont bien adaptés à la structure des données (observations répétées sur un même site pour différentes doses d'engrais, avec plusieurs sites considérés). Ils permettent de distinguer la variabilité inter-sites de la variabilité intra-site et d'estimer l'effet de la dose d'engrais azoté sur les émissions de NO2. Dans ce mémoire, l'analyse de la sensibilité des estimations à la forme de la relation "Emission de N2O / Dose d'engrais azoté" a montré qu'une relation exponentielle était plus adaptée. Il apparait ainsi souhaitable de remplacer le facteur d'émission constant du GIEC (1% d'émission quelque soit la dose d'engrais azoté) par un facteur variable qui augmenterait en fonction de la dose. Nous n'avons par contre pas identifié de différence importante entre les méthodes d'inférence fréquentiste et bayésienne. Deux approches ont été proposées pour inclure des variables de milieu et de pratiques culturales dans les estimations de N2O. La méthode Random Forest permet de gérer les données manquantes et présente les meilleures prédictions d'émission de N2O. Les modèles à effets aléatoires permettent eux de prendre en compte ces variables explicatives par le biais d'une ou plusieurs mesures d'émission de N2O. Cette méthode permet de prédire les émissions de N2O pour des doses non testées comme le cas non fertilisé en parcelles agricoles. Les résultats de cette méthode sont cependant sensibles au plan d'expérience utilisé localement pour mesurer les émissions de N2O.

Dans les domaines de la modélisation et de la simulation numérique, les simulateurs développés prennent parfois en compte de nombreux paramètres dont l'impact sur les sorties n'est pas toujours bien connu. L'objectif principal de l'analyse de sensibilité est d'aider à mieux comprendre comment les sorties d'un modèle sont sensibles aux variations de ces paramètres. L'approche la mieux adaptée pour appréhender ce problème dans le cas de modèles potentiellement complexes et fortement non linéaires repose sur la décomposition ANOVA et les indices de Sobol'. En particulier, ces derniers permettent de quantifier l'influence de chacun des paramètres sur la réponse du modèle. Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de l'estimation des indices de Sobol'. Dans une première partie, nous réintroduisons de manière rigoureuse des méthodes existantes au regard de l'analyse harmonique discrète sur des groupes cycliques et des tableaux orthogonaux randomisés. Cela nous permet d'étudier les propriétés théoriques de ces méthodes et de les généraliser. Dans un second temps, nous considérons la méthode de Monte Carlo spécifique à l'estimation des indices de Sobol' et nous introduisons une nouvelle approche permettant de l'améliorer. Cette amélioration est construite autour des hypercubes latins et permet de réduire le nombre de simulations nécessaires pour estimer les indices de Sobol' par cette méthode. En parallèle, nous mettons en pratique ces différentes méthodes sur un modèle d'écosystème marin.

Les modèles mathématiques sont importants pour la compréhension de la dynamique de l'atmosphère et de l'océan. Mais si ils étaient notre seule source d'information aucune prévision ne serait possible faute, notamment au manque de la connaissance d'une condition initiale cohérente. On dispose également d'observations de ces systèmes en nombre de plus en plus important, notamment grâce aux nombreux satellites d'observation qui croisent maintenant au large de notre planète. Ces observations sont souvent indirectes et incomplètes, et de ce fait ne fournissent pas non plus, à elles seules, une connaissance approfondie de l'état du milieu considéré. Et pour finir, on dispose de statistiques sur les champs des variables atmosphériques, leur variabilité, leur cohérence en temps et en espace. Je présente donc, dans ce document, des méthodes permettant de combiner tout ou partie de ces informations afin d'améliorer la prévision et la connaissance du fonctionnement de ces systèmes. Ces méthodes se basent le plus souvent sur une théorie mathématique solide, mais les appliquer dans un contexte réaliste n'est pas toujours chose aisée. C'est pourquoi on gardera le souci d'accompagner les développements que nous effectuons jusqu'à des applications opérationnelles ou quasi opérationnelles afin de démontrer la faisabilité de ceux ci.

Les épilepsies acquises se déclarent après un processus graduel appelé épileptogenèse. Bien que cliniquement silencieux, ce processus implique des modifications fonctionnelles observables notamment par électroencéphalographie. Cette thèse vise i) à identifier des marqueurs électrophysiologiques apparaissant au cours de l'épileptogenèse, et ii) à comprendre les modifications physiopathologiques sous-jacentes responsables de ces marqueurs et de leur évolution temporelle. Dans un premier temps, nous avons, dans un modèle d'épilepsie partielle chez la souris, monitoré des signaux électrophysiologiques intracérébraux pendant la mise en place de la maladie. Nous avons observé dans ces signaux expérimentaux, l'émergence d'événements transitoires pathologiques appelés pointes épileptiques. Nous avons développé des méthodes de traitement du signal pour détecter et caractériser automatiquement ces événements. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence certains changements dans la forme des pointes épileptiques au cours de l'épileptogenèse ; en particulier l'apparition et l'augmentation d'une onde qui suit la pointe épileptique. Une hypothèse défendue dans ces travaux est que ces changements morphologiques peuvent constituer des marqueurs de l'épileptogenèse dans ce modèle animal. Dans un second temps, afin d'interpréter ces modifications électrophysiologiques en termes de processus neurophysiologiques sous-jacents, nous avons implémenté un modèle biomathématique, physiologiquement argumenté, capable de simuler des pointes épileptiques. Formellement, ce modèle est un système dynamique non linéaire qui reproduit les interactions synaptiques (excitatrices et inhibitrices) dans une population de neurones. Une analyse de sensibilité de ce modèle a permis de mettre en évidence le rôle critique de certains paramètres de connectivité dans la morphologie des pointes. Nos résultats montrent en effet, qu'une diminution de l'inhibition GABAergique entraîne un accroissement de l'onde dans les pointes épileptiques. À partir du modèle théorique, nous avons pu ainsi émettre des hypothèses sur les modifications opérant au cours du processus d'épileptogenèse. Ces hypothèses ont pu être en partie vérifiées expérimentalement en bloquant artificiellement l'inhibition GABAergique, dans le modèle in vivo chez la souris, et dans un modèle in vitro chez le rat. En conclusion, ce travail de thèse fournit, dans un modèle animal, un biomarqueur électrophysiologique de l'épileptogenèse et tente d'expliquer, grâce à une modélisation biomathématique, les processus neurophysiologiques sous-jacents qu'il reflète.

Face aux forts besoins de réduction de la consommation énergétique et de l’impact environnemental,le bâtiment d’aujourd’hui vise la performance en s’appuyant sur des sourcesd’énergie de plus en plus diversifiées (énergies renouvelables), une enveloppe mieux conçue(isolation) et des systèmes de gestion plus avancés. Plus la conception vise la basse consommation,plus les interactions entre ses composants sont complexes et peu intuitives. Seule unerégulation plus intégrée permettrait de prendre en compte cette complexité et d’optimiser lefonctionnement pour atteindre la basse consommation sans sacrifier le confort.Les techniques de commande prédictive, fondées sur l’utilisation de modèles dynamiqueset de techniques d’optimisation, promettent une réduction des consommations et de l’inconfort.Elles permettent en effet d’anticiper l’évolution des sources et des besoins intermittentstout en tirant parti de l’inertie thermique du bâtiment, de ses systèmes et autres élémentsde stockage. Cependant, dans le cas du bâtiment, l’obtention d’un modèle dynamique suffisammentprécis présente des difficultés du fait d’incertitudes importantes sur les paramètresdu modèle et les sollicitations du système. Les avancées récentes dans le domaine de l’instrumentationdomotique constituent une opportunité prometteuse pour la réduction de cesincertitudes, mais la conception d’un tel système pour une telle application n’est pas triviale.De fait, il devient nécessaire de pouvoir considérer les problématiques de monitoring énergétique,d’instrumentation, de commande prédictive et de modélisation de façon conjointe.Cette thèse vise à identifier les liens entre commande prédictive et instrumentation dansle bâtiment, en proposant puis exploitant une méthode générique de modélisation du bâtiment,de simulation thermique et de résolution de problèmes d’optimisation. Cette méthodologiemet en oeuvre une modélisation thermique multizone du bâtiment, et des algorithmesd’optimisation reposant sur un modèle adjoint et les outils du contrôle optimal. Elle a étéconcrétisée dans un outil de calcul permettant de mettre en place une stratégie de commandeprédictive comportant des phases de commande optimale, d’estimation d’état et decalibration.En premier lieu, nous étudions la formulation et la résolution d’un problème de commandeoptimale. Nous abordons les différences entre un tel contrôle et une stratégie de régulationclassique, entre autres sur la prise en compte d’indices de performance et de contraintes. Nousprésentons ensuite une méthode d’estimation d’état basée sur l’identification de gains thermiquesinternes inconnus. Cette méthode d’estimation est couplée au calcul de commandeoptimale pour former une stratégie de commande prédictive.Les valeurs des paramètres d’un modèle de bâtiment sont souvent très incertaines. Lacalibration paramétrique du modèle est incontournable pour réduire les erreurs de prédictionet garantir la performance d’une commande optimale. Nous appliquons alors notreméthodologie à une technique de calibration basée sur des mesures de températures in situ.Nous ouvrons ensuite sur des méthodes permettant d’orienter le choix des capteurs à utiliser(nombre, positionnement) et des paramètres à calibrer en exploitant les gradients calculéspar la méthode adjointe.La stratégie de commande prédictive a été mise en oeuvre sur un bâtiment expérimentalprès de Chambéry. Dans le cadre de cette étude, l’intégralité du bâtiment a été modélisé,et les différentes étapes de notre commande prédictive ont été ensuite déployées de mainière séquentielle. Cette mise en oeuvre permet d’étudier les enjeux et les difficultés liées àl’implémentation d’une commande prédictive sur un bâtiment réel.Cette thèse est issue d’une collaboration entre le CEA Leti, l’IFSTTAR de Nantes et leG2ELab, et s’inscrit dans le cadre du projet ANR PRECCISION. / More efficient energy management of buildings through the use of Model Predictive Control(MPC) techniques is a key issue to reduce the environmental impact of buildings. Buildingenergy performance is currently improved by using renewable energy sources, a betterdesign of the building envelope (insulation) and the use of advanced management systems.The more the design aims for high performance, the more interactions and coupling effectsbetween the building, its environment and the conditions of use are important and unintuitive.Only a more integrated regulation would take in account this complexity, and couldhelp to optimize the consumption without compromising the comfort.Model Predictive Control techniques, based on the use of dynamic models and optimizationmethods, promise a reduction of consumption and discomfort. They can generate energysavings by anticipating the evolution of renewable sources and intermittent needs, while takingadvantage of the building thermal inertia and other storage items. However, in the caseof buildings, obtaining a good dynamic model is tough, due to important uncertainties onmodel parameters and system solicitations.Recent advances in the field of wireless sensor networks are fostering the deployment ofsensors in buildings, and offer a promising opportunity to reduce these errors. Nevertheless,designing a sensor network dedicated to MPC is not obvious, and energy monitoring,instrumentation, modeling and predictive control matters must be considered jointly.This thesis aims at establishing the links between MPC and instrumentation needs inbuildings. We propose a generic method for building modeling, thermal simulation andoptimization. This methodology involves a multi-zone thermal model of the building, andefficient optimization algorithms using an adjoint model and tools from the optimal controltheory. It was implemented in a specific toolbox to develop a predictive control strategywith optimal control phases, state estimation phases and model calibration.At first, we study the formulation and resolution of an optimal control problem. We discussthe differences between such a control and a conventional regulation strategy, throughperformance indicators. Then, we present a state estimation method based on the identificationof unknown internal gains. This estimation method is subsequently coupled with theoptimal control method to form a predictive control strategy.As the parameters values of a building model are often very uncertain, parametric modelcalibration is essential to reduce prediction errors and to ensure the MPC performance. Consequently,we apply our methodology to a calibration technique based on in situ temperaturemeasurements. We also discuss how our approach can lead to selection techniques in orderto choose calibrated parameters and sensors for MPC purposes.Eventually, the predictive control strategy was implemented on an experimental building,at CEA INES, near Chambéry. The entire building was modeled, and the different steps ofthe control strategy were applied sequentially through an online supervisor. This experimentgave us a useful feedback on our methodology on a real case.This thesis is the result of a collaboration between CEA Leti, IFSTTAR Nantes andG2ELab, and is part of the ANR PRECCISION project.

La production de Modèles Numériques de Terrain (MNT) a subi d’importantes évolutions durant les deux dernières décennies en réponse à une demande croissante pour des besoins scientifiques et industriels. De nombreux satellites d’observation de la Terre, utilisant des capteurs tant optiques que radar, ont permis de produire des MNT couvrant la plupart de la surface terrestre. De plus, les algorithmes de traitement d’images et de nuages de points ont subi d’importants développements. Ces évolutions ont fourni des MNT à différentes échelles pour tout utilisateur. Les applications basées sur la géomorphologie ont profité de ces progrès. En effet, ces applications exploitent les formes du terrain dont le MNT constitue une donnée de base. Cette étude a pour objectif d’évaluer l’impact des paramètres de production de MNT par photogrammétrie et par InSAR sur la qualité de position et de forme de ces modèles. La qualité de position, évaluée par les producteurs de MNT, n’est pas suffisante pour évaluer la qualité des formes. Ainsi, nous avons décrit les méthodes d’évaluation de la qualité de position et de forme et la différence entre elles. Une méthode originale de validation interne, qui n’exige pas de données de référence, a été proposée. Ensuite, l’impact des paramètres de l’appariement stéréoscopique, du traitement interférométrique ainsi que du rééchantillonnage, sur l’altitude et les formes, a été évalué. Finalement, nous avons conclu sur des recommandations pour choisir correctement les paramètres de production, en particulier en photogrammétrie.Nous avons observé un impact négligeable de la plupart des paramètres sur l’altitude, à l’exception de ceux de l’InSAR. Par contre, un impact significatif existe sur les dérivées de l’altitude. L’impact des paramètres d’appariement présente une forte dépendance avec la morphologie du terrain et l’occupation du sol. Ainsi, le choix de ces paramètres doit être effectué en prenant en considération ces deux facteurs. L’effet des paramètres du traitement interférométrique se manifeste par des erreurs de déroulement de phase qui affectent principalement l’altitude et peu les dérivées. Les méthodes d’interpolation et la taille de maille présentent un impact faible sur l’altitude et important sur ses dérivées. En effet, leur valeur et leur qualité dépendent directement de la taille de maille. Le choix de cette taille doit s’effectuer selon les besoins de l’application visée. Enfin, nous avons conclu que ces paramètres sont interdépendants et peuvent avoir des effets similaires. Leur choix doit être effectué en prenant en considération à la fois l’application concernée, la morphologie du terrain et son occupation du sol afin de minimiser l’erreur des résultats finaux et des conclusions. / The production of Digital Elevation Models (DEMs) has undergone significant evolution duringthe last two decades resulting from a growing demand for scientific as well as industrial purposes.Many Earth observation satellites, using optical and radar sensors, have enabled the production ofDEMs covering most of the Earth’s surface. The algorithms of image and point cloud processing havealso undergone significant evolution. This progress has provided DEMs on different scales, which canfulfill the requirements of many users. The applications based on geomorphology have benefitted fromthis evolution. Indeed, these applications concentrate specifically on landforms for which the DEMconstitutes a basic data.The aim of this study is to assess the impact of the parameters of DEM production byphotogrammetry and InSAR on position and shape quality. The position quality, assessed by DEMproducers, is not sufficient for the evaluation of shape quality. Thus, the evaluation methods ofposition and shape quality and the difference between them are described. A novel method of internalvalidation, which does not require reference data, is proposed. Then, the impact of image matchingand interferometric processing parameters as well as resampling, on elevation and shapes, is assessed.Finally, we conclude on recommendations on how to choose the production parameters correctly,particularly for photogrammetry.We observe little impact from most of the parameters on the elevation, except InSAR parameters.On the other hand, there is a significant impact on the elevation derivatives. The impact of matchingparameters presents a strong dependence on the terrain morphology and the landcover. Therefore,these parameters have to be selected by taking into account these two factors. The effect ofinterferometric processing manifests by phase unwrapping errors that mainly affect the elevation andless the derivatives. The interpolation methods and the mesh size present a small impact on theelevation and a significant impact on the derivatives. Indeed, the value of the derivatives and theirquality depend directly on the mesh size. The selection of this size has to be made according to theforeseen application. Finally, we conclude that these parameters are interdependent and can havesimilar effects. They must be selected according to the foreseen application, the terrain morphologyand the landcover in order to minimize the error in the final results and the conclusions.

Environ trois quarts des ressources globales sont aujourd'hui consommés dans les aires urbaines. Le processus d'urbanisation induit des changements sévères du climat local, de la qualité environnementale des espaces, ainsi qu'une augmentation significative de la demande énergétique des bâtiments. Les projections statistiques sur la croissance de la population urbaine indiquent que cette situation tendra à s'aggraver dans les années à venir. Il devient donc impératif de chercher d'autres stratégies pour mieux adapter les environnements urbains aux nouvelles demandes énergétiques, afin de réduire l'empreinte environnementale des villes. Dans ce contexte, ce travail est une contribution à la recherche énergétique urbaine, plus particulièrement en ce qui concerne l'énergie consommée et potentiellement produite parles bâtiments à l'échelle urbaine locale. La morphologie urbaine est ici considérée comme un paramètre crucial dans le processus d'amélioration de l'efficacité énergétique du cadre bâti. Dans les zones de basses latitudes, sous climat tropical, l'énergie solaire incidente est extrêmement abondante. Toutefois, la bonne utilisation de cette ressource dans les bâtiments peut suggérer l'adoption de formes urbaines très peu denses et étales, en vue de réduire les obstructions produites par l'environnement proche. A rebours, ces formes urbaines très peu denses peuvent entrainer une augmentation des apports solaires sur les façades,élevant la demande énergétique. Le contrôle des gains solaires sur les façades pour la réduction de la demande énergétique peut ainsi représenter une perte potentielle en terme d'éclairement naturel des espaces, et une réduction du potentiel de production d'énergie solaire. Afin de quantifier le potentiel de ces stratégies conflictuelles, il devient indispensable de convoquer des modèles d'analyse pluridisciplinaires, permettant de mettre en oeuvre des approches multicritères dans le processus de conception de la forme urbaine. Cette thèse s'appuie sur une réflexion prospective sur les quartiers de la ville de Maceió, Alagoas, au Brésil. Dans un premier temps, un ensemble de paramètres morphologiques caractéristiques sont employés pour identifier et caractériser le potentiel solaire de typologies de référence de la ville. Ensuite, ces paramètres sont soumis à une analyse de sensibilité via un plan d'expérience. Les paramètres statistiquement significatifs sont alors intégrés à une méthode paramétrique d'optimisation dans laquelle l'algorithme génétique NSGA-II est couplé à un algorithme simplifiée de radiosité, visant à maximiser le potentiel de production d'énergie sur les toitures des bâtiments, tout en minimisant les apports solaires sur ses façades. Nous considérons des seuils d'éclairement naturel et intégrons des règles locales d'urbanisme comme contraintes aux projets. Cinq typologies représentatives du tissu urbain de Maceió ont ainsi été identifiées. L'ensemble des indicateurs les plus influents sur le potentiel solaire des formes urbaines a été hiérarchisé, en mettant l'accent notamment sur le rôle du prospect moyen ou de l'albédo des surfaces. La méthode d'optimisation a permis de tester plus de 80 000configurations d'ilots urbains et les résultats obtenus font apparaître une grande diversité de morphologies «optimum». Ces projets ont des performances solaires supérieures à celles des typologies existantes dans la ville. Cette intégration de stratégies énergétiques contradictoires montre qu'au-delà de l'intégration de contraintes variées et d'une meilleure adaptation à la complexité du processus de design urbain, l'approche utilisée ici apparaît très utile pour la recherche de solutions urbaines performantes à l'échelle des quartiers. Cette approche peut ainsi participer au renouvellement de l'Architecture de la Ville / At the beginning of 21th century, the world was faced with unprecedented environmental transformations. The urbanization process reached record levels and it keeps increasing, especiallyin developing countries. Around 3/4 of global resources are currently consumed in urban settlements, with corresponding adverse environmental consequences which leads to severe local climate changes, affecting environmental quality of spaces and leading to a significant increase of energy demand in buildings. A projection of the world urban population indicates that this situation will worsen in the coming years. It is therefore imperative that we understand how to design less resource intensive urban settlements. This research consists of a contribution to the energy debate in cities, focusing on the energy potentially consumed and produced by the built environment in the neighborhood scale. Urban morphology has been pointed out as a pivotal issue on shifting to climate adapted urban environments towards energy efficiency of buildings. In tropical climate regions, solar energy represents a high potential for renewable electric production in buildings, recording high levels of irradiation throughout the year. Though, engaging such a strategy may suggest applying sparsely low-density urban forms, aiming at reducing obstructions caused by the urban built surroundings. On one hand, scattered and less dense urban forms may result in significant increase of solar thermal load in buildings vertical facades, but on the other hand, the control of the solar heat gains in urban facades may represent significant losses on indoors daylight levels andalso reducing solar energy harness. Estimating the relative potential of these conflicting design strategies, taking into account the constrained parameters related to local building regulation, requires coupling multidisciplinary and multiobjective models of analysis in order to integrate multi-criteria approach in the urban design process. This thesis aims to contribute to a prospective energy debate toward sustainable urban districts for the city of Maceió in Brazil. Firstly, a set of energy-related morphological parameters are applied to identify, classify and characterize the solarpotential of local urban typologies. Then, these parameters are analyzed by means of a sensitivity analysis using a design of experiments reduced factorial method. The statistically most significant parameters are then submitted to a parametric design methodology via optimization, in which thenon-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) is coupled with a simplified radiosity algorithm.The solar constraints are integrated as design criteria aiming at maximizing the solar energy potential on building roofs and minimizing solar gains on the their vertical facades. Daylight threshold levels as well as local building regulation parameters are taken into account as design constraints. Five representative types of urban fabric of Maceió were identified which allowed examining and adapting them from the use of energy-related indicators of the urban form. A set of most influential indicators of solar potential of urban forms was hierarchized, highlighting the role of the aspect ratio and albedo of urban surfaces. The application of optimization algorithm allowed testing more than 80,000 urban settings, pointing out a great diversity of "optimum" morphologies of urban blocks. The urban block designs obtained behaved better compared to the existing local typologies. Dealing with conflicting energy strategies by means of a constrained evolutionary optimization design process offered a great opportunity in searching for new solutions to the urban design in the neighborhood scale, helping to guide urban designers' decisions and allowing arenewal of the Architecture of the city

Dans ces travaux, nous présentons des méthodes d'optimisation théoriques et numériques pour la conception optimale de circuits magnétiques pour propulseurs à effet Hall. Ces problèmes de conception sont des problèmes inverses très difficiles à résoudre que nous formulons sous forme de problèmes d'optimisation topologique. Les problèmes resultant sont non convexes avec des contraintes aux équations différentielles de Maxwell. Au cours de ces travaux, des approches originales ont été proposées afin de résoudre efficacement ces problèmes d'optimisation topologique. L'approche de densité de matériaux SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) qui est une variante de la méthode d'homogénéisation a été privilégiées. De plus, les travaux de ma thèse ont permis la mise en place de codes d'optimisation dénommé ATOP (Algorithm To Optimize Propulsion) utilisant en parallèle les logiciels de calculs scientifiques Matlab et d'élément finis FEMM (Finite Element Method Magnetics). Dans ATOP, nous utilisant à la fois des algorithmes d'optimisation locale de type descente basés sur une analyse de la sensibilité du problème et des algorithmes d'optimisation globale principalement de type Branch and Bound basés sur l'Arithmétique des Intervals. ATOP permettra d'optimiser à la fois la forme topologique des circuits magnétiques mais aussi le temps et le coût de production de nouvelles génération de propulseurs électriques. / In this work, we present theoretical and numerical optimization method for designing magnetic circuits for Hall effect thrusters. These design problems are very difficult inverse ones that we formulate under the form of topology optimization problems. Then, the obtained problems are non convex subject to Maxwell equations like constraints. Some original approaches have been proposed to solve efficiently these topology optimization problems. These approaches are based on the material density model called SIMP approach (Solid Isotropic Material with Penalization) which is a variante of the homogenization method. The results in my thesis allowed to provide optimization source code named ATOP (Algorithm To Optimize Propulsion) unsung in parallel two scientific computing softwares namely Matlab and FEMM (Finite Element Method Magnetics). In ATOP, we use both local optimization algorithms based on sensitivity analysis of the design problem; and global optimization algorithms mainly of type Branch and Bound based on Interval Arithmetic analysis. ATOP will help to optimize both the topological shape of the magnetic circuits and the time and cost of production (design process) of new generations of electrical thrusters.

L'ingénierie de la photosynthèse est une voie prometteuse en vue de produire à la fois des vecteurs énergétiques et des molécules plateformes pour palier la raréfaction des ressources fossiles. Le défi à relever est de taille car il faut réussir à mettre au point des procédés solaires de production de biomasse à constante de temps courte (quelques jours), là où une centaine de millions d'années a été nécessaire à la formation du pétrole. Cet objectif pourrait être atteint en cultivant des micro-organismes photosynthétiques dans des photobioréacteurs dont les performances cinétiques en surface et en volume seraient optimales. Une telle optimisation nécessite avant tout une analyse fine des transferts radiatifs au sein du procédé. L'analyse radiative des photobioréacteurs qui est ici proposée s'ouvre sur la détermination des propriétés d'absorption et de diffusion des suspensions de micro-organismes photosynthétiques, à partir de leurs caractéristiques morphologiques, métaboliques et structurales. Une chaîne de modélisation est construite, mise en oeuvre et validée expérimentalement pour des micro-organismes de formes simples ; à terme, la démarche développée pourra directement être étendue à des formes plus complexes. Puis, l'analyse du transfert radiatif en diffusion multiple est introduite et illustrée par différentes approximations qui apparaissent pertinentes pour une conceptualisation des photobioréacteurs, menant ainsi à la construction d'un intuitif nécessaire à leur optimisation. Enfin, la méthode de Monte Carlo est mise en oeuvre afin de résoudre rigoureusement la diffusion multiple en géométries complexes (géométries qui découlent d'une conception optimisée du procédé) et afin de calculer les performances cinétiques à l'échelle du photobioréacteur. Ce dernier calcul utilise une avancée méthodologique qui permet de traiter facilement le couplage non-linéaire du transfert radiatif à la cinétique locale de la photosynthèse (et qui laisse entrevoir de nombreuses autres applications dans d'autres domaines de la physique du transport). Ces outils de simulation mettent à profit les développements les plus récents autour de la méthode de Monte Carlo, tant sur le plan informatique (grâce à une implémentation dans l'environnement de développement EDStar) que sur le plan algorithmique : formulation intégrale, algorithmes à zéro-variance, calcul de sensibilités (le calcul des sensibilités aux paramètres géométriques est ici abordé d'une manière originale qui permet de simplifier significativement sa mise en oeuvre, pour un ensemble de configurations académiques testées). Les perspectives de ce travail seront d'utiliser les outils d'analyse développés durant cette thèse afin d'alimenter une réflexion sur l'intensification des photobioréacteurs, et d'étendre la démarche proposée à l'étude des systèmes photoréactifs dans leur ensemble. / Photosynthesis engineering is a promising mean to produce both energy carriers and fine chemicals in order to remedy the growing scarcity of fossil fuels. This is a challenging task since it implies to design process for solar biomass production associated with short time constant (few days), while oil formation took hundred million of years. This aim could be achieved by cultivating photosynthetic microorganisms in photobioreactors with optimal surface and volume kinetic performances. Above all, such an optimization necessitate a careful radiative study of the process. A radiative analysis of photobioreactors is here proposed that starts with the determination of the absorption and scattering properties of photosynthetic microorganisms suspensions, from the knowledge their morphological, metabolic and structural features. A model is constructed, implemented and validated for microorganisms with simple shapes ; the extension of this approach for the treatment of complex shapes will eventually be straightforward. Then, multiple scattering radiative transfer analysis is introduced and illustrated through different approximations that are relevant for the conceptualization of photobioreactors, leading to the construction of physical pictures that are necessary for the optimization of the process. Finally, the Monte Carlo method is implemented in order to rigorously solve multiple scattering in complex geometries (geometries that correspond to an optimized design of the process) and in order to calculate the kinetic performances of the reactor. In this trend, we develop a novel methodological development that simplies the treatment of the non-linear coupling between radiative transfer and the local kinetic of photosynthesis. These simulation tools also benefit from the most recent developments in the field of the Monte Carlo method : integral formulation, zero-variance algorithms, sensitivity evaluation (a specific approach for the evaluation of sensitivities to geometrical parameters is here developed and shown to correspond to a simple implementation in the case of a set of academic configurations that are tested). Perspectives of this work will be to take advantage of the developed analysis tools in order to stimulate the reflexion regarding photobioreactor intensification, and to extend the proposed approach to the study of photoreactive systems engineering in general.