L’augmentation de la vitesse ferroviaire impose l’amélioration des performances de freinage liés aux matériaux de friction utilisés dans les freins à disques et à semelles. Cependant, l'usure reste un point limitant en terme de performance mais aussi de sécurité. Elle a pour conséquence de détériorer les matériaux (aspects mécano-thermiques) mais aussi de contaminer le contact entre roue et rail par des particules de semelles de frein pouvant isoler électriquement celui-ci (aspects mécano-électriques). Le procédé permettant de localiser les trains, ayant pour principe la conduction électrique entre roue et rail, est alors compromis.Ces problématiques sont gouvernées par les différents contacts (roue/rail, roue/semelle, ...) qui s'inscrivent dans le concept de triplet tribologique. Un triplet est composé des corps en contact (premiers corps), de l'interface (troisième corps) et du mécanisme qui les maintient en contact. Afin de comprendre les phénomènes se produisant au sein des contacts, une analyse multi-physique locale et un découplage des paramètres (mécaniques, thermiques, électriques) s'avèrent nécessaires. Toutefois, cela est difficile à établir expé- rimentalement, une modélisation numérique par éléments discrets est alors pertinente pour palier à ces besoins.L'écoulement dynamique d'un troisième corps constitué de particules de freinage et la dégradation d'un matériau de freinage réel (suite à des méthodes d'imageries) sont modélisés. Les résultats obtenus ont permis d'appréhender les compétitions existant entre paramètres physiques d'une part (mécanique, électrique, thermique) et paramètres d'éch-elles d'autre part (local, global). Ces compétitions tendent à minimiser la résistance élec- trique lorsque les constituants sont en proportion adéquat (meilleure conduction électrique entre roue et rail) mais aussi à équilibrer les débits du circuit tribologique, ce qui conduit à protéger les matériaux (usure contrôlée). En outre, les analyses numériques ont permis de mettre en évidence de nouveaux paramètres liés à ``l'étalement'' du troisième corps et d'appréhender les points clés permettant de se rapprocher d'un contact réel. / The increase of the rail speed imposes the improvement of the braking performances related to the friction materials used in brake pad and brakes shoes. However, wear remains a limiting point in terms of performance but also safety. It has the effect of damaging the materials (mechano-thermal aspects) but also to contaminate the contact between wheel and rail by particles of brake shoes that can electrically isolate it (mechanical-electrical aspects). The method for locating the trains, whose principle is the electrical conduction between wheel and rail, is then compromised.These issues are governed by the different contacts (wheel/rail, wheel/shoes, ...) that fit into the concept of tribological triplets. These are composed of the bodies in contact (first bodies), the interface (third body) and the mechanism that keeps them in contact. In order to understand the phenomena occurring within the contacts, a local multi-physics analysis and a decoupling of the parameters (mechanical, thermal, electrical) are necessary. However, this is difficult to establish experimentally, numerical modeling by discrete elements method is then relevant for these needs.The dynamic flow of a third body consisting of braking particles and the degradation of a real braking material (following imaging methods) are modeled. The results obtained made it possible to understand the competitions existing between physical parameters on the one hand (mechanical, electrical, thermal) and scale parameters on the other hand (local, global). These competitions tend to minimize the electrical resistance when the constituents are in adequate proportion (better electrical conduction between wheel and rail) but also to balance the flows of the tribological track, which leads to protect the materials (controlled wear). In addition, the numerical analyzes made it possible to highlight new parameters related to "spreading" of the third body and to apprehend the key points making it possible to approach a real contact.

Les principaux objectifs des opérateurs ferroviaires visent à accroître la sécurité, réduire les coûts d’exploitation et de maintenance et augmenter l’attractivité et les bénéfices du transport ferroviaire en offrant de nouveaux services aux passagers. Ceci ne pourra être atteint que grâce à la multiplication des échanges de données entre les différents acteurs du monde ferroviaire. L’interopérabilité, l’efficacité spectrale, l’optimisation de l’usage des ressources radio et l’amélioration de la fiabilité des communications sont des exigences fortes pour les applications de télécommunication ferroviaires. Les recherches dans le domaine de la radio cognitive ont vu le jour afin de répondre aux besoins de communication de l’armée ainsi qu’aux besoins dans les secteurs de la sécurité publique. Ces domaines partagent souvent les mêmes exigences que les chemins de fers. Ainsi, la radio cognitive a montré un potentiel prometteur pour répondre aux besoins listés précédemment. Une des principales fonctionnalités d’un dispositif de radio cognitive est de prendre conscience de son environnement radioélectrique et de détecter les bandes disponibles. Trois principaux éléments définissent l’environnement de la radio cognitive : l’utilisateur, les règles d’accès au spectre radio et les domaines radio. Cette thèse met en avant plusieurs contributions relatives à la reconnaissance de l’environnement radiofréquence et la détection de bandes libres. Plus spécifiquement, ces contributions portent sur la reconnaissance par la radio cognitive de l’occupation du spectre et de la modulation des signaux présents dans les bandes analysées. Ces fonctions ont été conçues pour le contexte ferroviaire, c’est-à-dire la grande vitesse et un environnement électromagnétique difficile en présence de bruit impulsif. / An essential goal of railway operators is to increase safety, reduce operation and maintenance costs, and increase attraction and profit by offering new services to passengers. These objectives will be reached thanks to a huge increase of data fluxes exchanges between railways stakeholders and infrastructures.Interoperability, spectral efficiency, optimization of radio resource usages, and improvement of communications reliability are of significant interest for railway applications. The Cognitive Radio (CR) research has been successfully applied to meet the communication needs of the military as well as the public-safety sectors, which share many of the same needs as railway. CRs have shown significant promise to answer all of the previously listed requirements. One of the main capabilities of a CR device is to sense and finally become aware of its environment. Three major domains define the environment of the CR, namely, the user, policy, and radio domains. This thesis highlights several contributions to radio environment awareness of a CR device. More specifically, these contributions lie in the spectrum awareness and waveform awareness functions of the CR. We designed these functions for the railways context, that is, a high speed vehicular context, besides difficult electromagnetic environments resulting a heavy-tailed impulsive noise.

Dans une démarche globale d'asservissement du bilan énergétique et climatique de son pack d'engins ferroviaires, et pour acquérir le savoir-faire en matière de spécification de futures locomotives électriques multi-tensions dépendant d'un kit autonome hybride, ALSTOM Transport s'intéresse de près à la problématique de l'hybridation ferroviaire pour des locomotives électriques multi-tensions en leurs intégrant une source d'énergie hybride embarquée. C'est dans cet élan que s'inscrit le projet d' "Etude et développement d'un concept de locomotive hybride à chaîne de traction électrique autonome propre et durable ". Ce projet a été réalisé dans le cadre d'une thèse CIFRE lancé par l'Association Nationale de la Recherche Technique (ANRT) et mené par la société ALSTOM Transport et le laboratoire SET-UTBM. Il a pour but d'étudier et de développer un kit autonome hybride respectant l'environnement, à intégrer dans une locomotive électrique multi-tensions à chaîne de traction électrique, en prenant en compte l'encombrement disponible ; ceci est prévu pour des applications dans les domaines de locomotives tirant jusqu'à 1800 Tonnes et circulant en Europe, remplaçant ainsi les locomotives de manoeuvre dans certains bouts de lignes non-électrifiées afin d'éviter le trafic ferroviaire, et les temps d'attente en réduisant ainsi les coûts d'exploitation, et en minimisant fortement la consommation du carburant, et les émissions du CO2. Ce qui ramène la nouveauté dans le projet est de pouvoir intégrer un groupe hybride autonome dans une locomotive électrique multi-tension sans effectuer des modifications dans son architecture. Les travaux réalisés ont consisté dans un premier temps à définir les différentes missions ferroviaires auprès des opérateurs privés sur des bout de lignes non-électrifiées répondant à notre problématique, et permettant ainsi de réaliser un dimensionnement énergétique du kit hybride autonome, respectant le cahier des charges de l'étude lié essentiellement à l'encombrement disponible. Ensuite, nous avons identifié les deux sources de tension et de courant de la source d'énergie hybride embarquée après avoir évalué plusieurs technologies potentielles. Dans un deuxième temps, et après avoir défini l'architecture technique de la chaîne de traction de la locomotive électrique multi-tension à option du kit hybride, nous avons présenté la démarche de dimensionnement et de modélisation des ces deux sources d'énergie et de puissance. La structure étant définie, nous avons abordé enfin la dernière phase d'étude qui est le développement du contrôle-commande, et la mise en oeuvre de la gestion d'énergie entre les deux sources présentes à bord du véhicule, en tenant compte des limitations énergétiques du système de stockage et du dimensionnement du système. Le but de ces stratégies d'énergie est de maximiser par exemple le rendement global de la chaîne de traction. Les dimensions et choix en termes de stratégie de gestion issus de cette thèse seront directement exploités dans le projet au moment de sa construction.

Le but de cette thèse est de décrire la problématique de la concurrence entre le transport combiné et le transport routier, par une analyse quantitative des facteurs influant le choix du transport combiné intérieur. Cette analyse s'appuie sur des outils économétriques du choix du mode de transport qui reposent sur la théorie de la maximisation de l'utilité du consommateur. Une double démarche de la modélisation a été conduite afin de trouver les facteurs sensibles à l'égard du transport combiné : d'une part, la modélisation agrégée du partage modal à l'aide des données recensées sur un échantillon de 44 axes principaux du transport combiné intérieur, et d'autre part, la modélisation désagrégée à l'aide des données tirées de l'enquête auprès des chargeurs de l'INRETS. Les résultats obtenus au cours de ce travail sont plutôt encourageants. Notre étude confirme que les facteurs tels que le prix et la distance ont une forte influence sur le choix du transport combiné. En plus, d'autres facteurs tels que les plages horaires de départ des trains, les différentes catégories de chargeurs et la valeur au kilo de l'envoi se révèlent également sensibles vis-à-vis du choix du transport combiné. La méthode utilisée permet de prévoir l'influence de la concurrence sur le marché de transport de fret et peut s'avérer aussi un outil d'analyse dans le but d'éclairer la politique du développement du transport combiné.

Cette thèse, qui s'inscrit dans le questionnement économique général sur la recherche d'outils de régulation des industries de réseaux, questionne la pertinence du choix français de régionalisation ferroviaire. Ce dernier, depuis la réforme introduite par la loi SRU, associe le maintien du monopole d'exploitation de la SNCF pour le Transport Express Régional (TER) avec la décentralisation aux Régions d'une prérogative jusqu'alors assurée de manière bureaucratique et centralisée. Dans cet environnement institutionnel, original au regard du mouvement européen, les Régions françaises ont-elles réussi à écrire et à gouverner le "système SNCF-TER" ? Pour répondre à cette double interrogation, l'auteur mobilise la théorie néo-institutionnelle, à partir de laquelle il propose une matrice interprétative de l'architecture économique des conventions TER et présente une transposition de la méthode des comptes de surplus (MCS), pour l'étude de la performance économique de ces contrats. Les résultats obtenus, sur l'échantillon des sept régions qui ont expérimenté la régionalisation, ne confirment que partiellement les déductions habituelles obtenues à partir de la théorie standard du monopole et de la capture du réglementateur par la firme régulée. Si la contractualisation SNCF / Régions, très éloignée du modèle « net cost », exprime l'acceptation par le Législateur d'une large couverture des risques industriels, commerciaux, et plus encore sur investissements, par la Collectivité, la régionalisation s'est traduite par une grande diversité contractuelle. Une analyse fine montre le caractère hybride des modes de gouvernance que l'auteur qualifie de « fiduciaro-autoritaires ». La MCS révèle que si l'effet du monopole est bien présent et s'impose aux Régions, il ne profite guère à la SNCF, mais plutôt à RFF. Tendanciellement, les voyageurs sont devenus « gagnants » de la régionalisation ferroviaire.

Cette thèse étudie une approche intégrant la gestion de l’horaire et la conception de réseaux de services pour le transport ferroviaire de marchandises. Le transport par rail s’articule autour d’une structure à deux niveaux de consolidation où l’affectation des wagons aux blocs ainsi que des blocs aux services représentent des décisions qui complexifient grandement la gestion des opérations. Dans cette thèse, les deux processus de consolidation ainsi que l’horaire d’exploitation sont étudiés simultanément. La résolution de ce problème permet d’identifier un plan d’exploitation rentable comprenant les politiques de blocage, le routage et l’horaire des trains, de même que l’habillage ainsi que l’affectation du traffic. Afin de décrire les différentes activités ferroviaires au niveau tactique, nous étendons le réseau physique et construisons une structure de réseau espace-temps comprenant trois couches dans lequel la dimension liée au temps prend en considération les impacts temporels sur les opérations. De plus, les opérations relatives aux trains, blocs et wagons sont décrites par différentes couches. Sur la base de cette structure de réseau, nous modélisons ce problème de planification ferroviaire comme un problème de conception de réseaux de services. Le modèle proposé se formule comme un programme mathématique en variables mixtes. Ce dernie r s’avère très difficile à résoudre en raison de la grande taille des instances traitées et de sa complexité intrinsèque. Trois versions sont étudiées : le modèle simplifié (comprenant des services directs uniquement), le modèle complet (comprenant des services directs et multi-arrêts), ainsi qu’un modèle complet à très grande échelle. Plusieurs heuristiques sont développées afin d’obtenir de bonnes solutions en des temps de calcul raisonnables. Premièrement, un cas particulier avec services directs est analysé. En considérant une cara ctéristique spécifique du problème de conception de réseaux de services directs nous développons un nouvel algorithme de recherche avec tabous. Un voisinage par cycles est privilégié à cet effet. Celui-ci est basé sur la distribution du flot circulant sur les blocs selon les cycles issus du réseau résiduel. Un algorithme basé sur l’ajustement de pente est développé pour le modèle complet, et nous proposons une nouvelle méthode, appelée recherche ellipsoidale, permettant d’améliorer davantage la qualité de la solution. La recherche ellipsoidale combine les bonnes solutions admissibles générées par l’algorithme d’ajustement de pente, et regroupe les caractéristiques des bonnes solutions afin de créer un problème élite qui est résolu de facon exacte à l’aide d’un logiciel commercial. L’heuristique tire donc avantage de la vitesse de convergence de l’algorithme d’ajustement de pente et de la qualité de solution de la recherche ellipsoidale. Les tests numériques illustrent l’efficacité de l’heuristique proposée. En outre, l’algorithme représente une alternative intéressante afin de résoudre le problème simplifié. Enfin, nous étudions le modèle complet à très grande échelle. Une heuristique hybride est développée en intégrant les idées de l’algorithme précédemment décrit et la génération de colonnes. Nous proposons une nouvelle procédure d’ajustement de pente où, par rapport à l’ancienne, seule l’approximation des couts liés aux services est considérée. La nouvelle approche d’ajustement de pente sépare ainsi les décisions associées aux blocs et aux services afin de fournir une décomposition naturelle du problème. Les résultats numériques obtenus montrent que l’algorithme est en mesure d’identifier des solutions de qualité dans un contexte visant la résolution d’instances réelles. / This thesis studies a scheduled service network design problem for rail freight transportation planning. Rails follow a special two level consolidation organization, and the car-to-block, block-to-service handling procedure complicates daily operations. In this research, the two consolidation processes as well as the operation schedule are considered simultaneously, and by solving this problem, we provide an overall cost-effective operating plan, including blocking policy, train routing, scheduling, make-up policy and traffic distribution. In order to describe various rail operations at the tactical level, we extend the physical network and construct a 3-layer time-space structure, in which the time dimension takes into consideration the temporal impacts on operations. Furthermore, operations on trains, blocks, and cars are described in different layers. Based on this network structure, we model the rail planning problem to a service network design formulation. The proposed model relies on a complex mixed-integer programming formulation. The problem is very hard to solve due to the computational difficulty as well as the tremendous size of the application instances. Three versions of the problem are studied, which are the simplified model (with only non-stop services), complete model (with both non-stop and multi-stop services) and very-large-scale complete model. Heuristic algorithms are developed to provide good feasible solutions in reasonable computing efforts. A special case with non-stop services is first studied. According to a specific characteristic of the direct service network design problem, we develop a tabu search algorithm. The tabu search moves in a cycle-based neighborhood, where flows on blocks are re-distributed according to the cycles in a conceptual residual network. A slope scaling based algorithm is developed for the complete model, and we propose a new method, called ellipsoidal search, to further improve the solution quality. Ellipsoidal search combines the good feasible solutions generated from the slope scaling, and collects the features of good solutions into an elite problem, and solves it with exact solvers. The algorithm thus takes advantage of the convergence speed of slope scaling and solution quality of ellipsoidal search, and is proven effective. The algorithm also presents an alternative for solving the simplified problem. Finally, we work on the very-large-size complete model. A hybrid heuristic is developed by integrating the ideas of previous research with column generation. We propose a new slope scaling scheme where, compared with the previous scheme, only approximate service costs instead of both service and block costs are considered. The new slope scaling scheme thus separates the block decisions and service decisions, and provide a natural decomposition of the problem. Experiments show the algorithm is good to solve real-life size instances.

Dans cette thèse, un modèle de propagation acoustique dans le domaine temporel est proposé pour des applications en milieu extérieur. Dans le contexte du transport ferroviaire, il est nécessaire de considérer des sources étendues et en mouvement dont le contenu fréquentiel peut aller jusqu'à8000 Hz. La résolution des équations d'Euler linéarisées dans le domaine temporel est alors une méthode bien adaptée à ce problème. Pour cela, des méthodes de différences finies, développées par la communauté de l'aéroacoustique numérique, sont utilisées. Le modèle ainsi développé permet de prendre en compte les effets météorologiques (profils de vent et de température) ainsi que les effets de sol (impédance et topographie).Dans le premier chapitre, les méthodes différences finies ainsi que la condition limite d'impédance dans le domaine temporel, basée sur une technique de convolution récursive, sont présentées dans le cadre général d'un calcul tridimensionnel. Une étude sur la propagation d'ondes acoustiques dans une atmosphère stratifiée au-dessus de sols impédants est ensuite proposée. En conditions homogènes, les formes d'ondes sont comparées à celles obtenues avec une solution analytique. En conditions défavorables, les temps d'arrivée des différentes contributions sont analysés avec une approche d'acoustique géométrique. Dans les deux cas, des ondes de surface sont mises en évidence. Enfin, dans une première analyse, une étude des effets de la compacité d'une source mobile harmonique à support spatial gaussien sur le champ de pression acoustique est proposée. Dans un second chapitre, le problème du couplage champ proche - champ lointain est traité. En effet, les méthodes de résolution des équations d'Euler linéarisées sont actuellement " lourdes " à mettre en œuvre pour modéliser la propagation à très grande distance. Une stratégie de couplage avec des méthodes d'équation parabolique est alors mise en place afin de réduire le temps de calcul et l'espace mémoire nécessaires. Une méthode split-step Padé est utilisée afin d'obtenir une approximation parabolique dans un cône d'angle voulu. Une étude sur les conditions initiales adaptées à l'ordre du développement de l'approximant de Padé est proposée. La modélisation de la topographie dans le code différences finies fait l'objet d'un troisième chapitre. Pour cela, des coordonnées curvilignes sont introduites et permettent une résolution similaire au cas cartésien. Différentes applications sont proposées. La propagation au-dessus d'un cylindre est étudiée ; des ondes de surfaces sont mises en évidence. Ensuite, l'influence de la topographie d'un site ferroviaire sur la mesure des niveaux de pression est analysée. En champ proche, des écarts importants sont obtenus à basse fréquence. En champ lointain, les résultats dépendent des conditions météorologiques. Enfin, des comparaisons des niveaux de pression calculés et mesurés lors d'une campagne expérimentale menée en octobre 2001 à Saint-Berthevin sont réalisées. Dans une dernière étude, le modèle de propagation acoustique est validé avec des mesures effectuées en mai 2010 sur un site ferroviaire situé à La Veuve. Des mesures de la topographie, des impédances de surface et de différents paramètres météorologiques ont été réalisées. Les niveaux de pression et les formes d'ondes calculés avec le modèle de propagation sont en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement pour le cas d'une source impulsionnelle.

Dans le contexte actuel de globalisation des marchés, le processus classique de conception par essais et erreurs n'est plus capable de répondre aux exigences de plus en plus accrues en termes de délais très courts, réduction des coûts de production, etc. L'outil d'optimisation propose une réponse à ces questions, en accompagnant les ingénieurs dans la tâche de conception optimale.L'objectif de cette thèse est centré sur la conception optimale des systèmes complexes. Deux approches sont abordées dans ce travail: l'optimisation par modèles de substitution et la conception optimale basée sur la décomposition des systèmes complexes.L'utilisation de la conception assistée par ordinateur (CAO) est devenue une pratique régulière dans l'industrie. La démarche d'optimisation basée sur modèles de substitution est destinée à répondre à l'optimisation des dispositifs bénéficiant d'une telle modélisation précise, mais couteuse en temps de calcul.Les chaînes de traction ferroviaire sont trop complexes pour être traités comme un tout. La décomposition de ces systèmes s'impose en vue de simplifier le problème et de repartir la charge de calcul. Des stratégies appropries à la résolution de telles structures ont été analysées dans ce travail. Ces approches permettent à chaque équipe de spécialistes de travailler de façon autonome à l'objet de leur expertise.Les approches d'optimisation développées au sein de ce travail ont été appliquées pour résoudre plusieurs problèmes d'optimisation électromagnétiques, ainsi que la conception optimale d'un système de traction ferroviaire de la Société Alstom

La conception d'un système électrique est une tâche très complexe qui relève d’expertises dans différents domaines de compétence. Dans un contexte compétitif où l’avance technologique est un facteur déterminant, l’industrie cherche à réduire les temps d'étude et à fiabiliser les solutions trouvées par une approche méthodologique rigoureuse fournissant une solution optimale systémique.Il est alors nécessaire de construire des modèles et de mettre au point des méthodes d'optimisation compatibles avec ces préoccupations. En effet, l’optimisation unitaire de sous-systèmes sans prendre en compte les interactions ne permet pas d'obtenir un système optimal. Plus le système est complexe plus le travail est difficile et le temps de développement est important car il est difficile pour le concepteur d'appréhender le système dans toute sa globalité. Il est donc nécessaire d'intégrer la conception des composants dans une démarche systémique et globale qui prenne en compte à la fois les spécificités d’un composant et ses relations avec le système qui l’emploie.Analytical Target Cascading est une méthode d'optimisation multi niveaux de systèmes complexes. Cette approche hiérarchique consiste à décomposer un système complexe en sous-systèmes, jusqu’au niveau composant dont la conception relève d’algorithmes d'optimisation classiques. La solution optimale est alors trouvée par une technique de coordination qui assure la cohérence de tous les sous-systèmes. Une première partie est consacrée à l'optimisation de composants électriques. L'optimisation multi niveaux de systèmes complexes est étudiée dans la deuxième partie où une chaîne de traction électrique est choisie comme exemple / The design of an electrical system is a very complex task which needs experts from various fields of competence. In a competitive environment, where technological advance is a key factor, industry seeks to reduce study time and to make solutions reliable by way of a rigorous methodology providing a systemic solution.Then, it is necessary to build models and to develop optimization methods which are suitable with these concerns. Indeed, the optimization of sub-systems without taking into account the interaction does not allow to achieve an optimal system. More complex the system is more the work is difficult and the development time is important because it is difficult for the designer to understand and deal with the system in its complexity. Therefore, it is necessary to integrate the design components in a systemic and holistic approach to take into account, in the same time, the characteristics of a component and its relationship with the system it belongs to.Analytical Target Cascading is a multi-level optimization method for handling complex systems. This hierarchical approach consists on the breaking-down of a complex system into sub-systems, and component where their optimal design is ensured by way of classical optimization algorithms. The optimal solution of the system must be composed of the component's solutions. Then a coordination strategy is needed to ensure consistency of all sub-systems. First, the studied and proposed optimization algorithms are tested and compared on the optimization of electrical components. The second part focuses on the multi-level optimization of complex systems. The optimization of railway traction system is taken as a test case

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