Les enjeux planétaires du développement durable et du réchauffement climatique remettent en cause le fonctionnement de nos sociétés. La transition énergétique se traduit notamment par l’augmentation de l’utilisation des énergies renouvelables et constitue ainsi le contexte de nos travaux. Dans le cadre d’un contrat CIFRE avec l’entreprise VALOREM, nous proposons des méthodologies pour le développement et la conception d’installations renouvelables soutenables. L’approche d’Ingénierie Des Modèles mise en place nous permet de garder une démarche scientifique cohérente entre une vue très générale du contexte d’insertion des renouvelables et une vision plus technique et opérationnelle pour le développement d’installations renouvelables. Dans un premier temps, nous avons décrit de manière macroscopique le contexte d’insertion des énergies renouvelables en France, en proposant un cadre conceptuel pour le développement de projet d’aménagement du territoire. Il permet l’analyse des systèmes sociotechniques en transition grâce à une formalisation UML2 d’une part, et une méthode d’évaluation de la durabilité d’un processus d’autre part. Nous avons illustré ce cadre sur deux cas d’étude : le succès du développement de la centrale hydro-éolienne de l’île d’El Hierro dans les Canaries et l’échec du barrage de Sivens dans le Tarn en France. Par comparaison, nous montrons que l’implication des parties prenantes sur l’ensemble du processus de développement est cruciale pour le succès d’un projet. Nous avons ensuite proposé une implémentation logicielle permettant le suivi et le pilotage de projet d’aménagement du territoire en temps réel à l’aide d’outils d’intelligence artificielle. Conscient des limites opérationnelles de notre proposition, nous avons décidé de changer de point de vue pour adopter une vision plus technique sur les énergies renouvelables. La transition énergétique fait évoluer le système électrique français d’un modèle centralisé vers un modèle décentralisé, ce qui amène VALOREM à reconsidérer ses propositions techniques de production d’énergies renouvelables. Entre autre, l’entreprise tend vers l’hybridation de ses centrales et constate le besoin d’un outil de dimensionnement en phase d’avant-projet, afin d’identifier les opportunités d’activités. Nous faisons donc la proposition d’un prototype logiciel qui se veut flexible en termes de modélisation des centrales de production hybrides renouvelables et en termes de définition des objectifs et contraintes à satisfaire. Il est codé en C++ et basé sur des modèles d’optimisation linéaires. Nous illustrons son opérationnalité sur quatre cas d’étude : deux orientés marché électrique et deux en autoconsommation (l’un isolé, l’autre connecté au réseau). Les résultats des études montrent que les coûts de stockage batterie sont trop élevés pour pouvoir envisager l’installation de batteries dans les centrales hybrides renouvelables. Les systèmes en autoconsommation connectés au réseau semblent être plus prometteurs. Enfin, nous terminons par une analyse environnementale de différentes sources de production électrique afin de déterminer celles vers lesquelles la transition énergétique doit être axée. Les résultats montrent que la biomasse, l’éolien et le PV au sol sont les moyens de production les plus propres. La conclusion de la thèse propose une réflexion ascendante en complexité vers l’implication des acteurs dans les modèles de processus de développement territoriaux. / Sustainable growth issues and climate change imply to shift our society organisation towards new paradigms. In the energy sector, it is illustrated by an energy transition via renewables. Within this context and the support of the company VALOREM, we propose a methodology for the sustainable development and design of renewable infrastructures. By using a Model Driven Engineering approach, we were able to adopt several viewpoints on renewable energy issues, while keeping a consistent scientific approach. First of all, from a holistic stance, we developed a conceptual framework for land settlement development process. Thanks to its modelling with UML2 and a methodology to assess the sustainability of processes, it can be used to analyse the trajectory of sociotechnical systems. The framework was tested on two case studies: the success of El Hierro hydrowind power plant implementation in Canary Islands and the failure of the Sivens dam project in the south of France. Their comparison shows that implication of stakeholders at all stages of the development process is crucial for the success of the project. We further propose to implement the conceptual framework as a software tool for the monitoring of land settlement project in real time, with the help of artificial intelligence concepts. However, this proposition was deemed not in line with Valorem’s priorities and we decided to focus on a technical instantiation of the framework for Hybride Renewable Energy Systems (HRES), which design and operation are part of VALOREM’s activity. As, the energy transition implies to change the electrical system model from a centralized to a decentralized one, there exists a need for a grassroots sizing tool for identifying new HRES opportunities. A software prototype for the grassroot optimal design of HRES was developed, offering flexibility in terms of modelling, setting constraints and defining objective functions. It is coded in C++ and based on linear programming model. We showed its relevance on four HRES case studies: two related to electricity market and two for self-supply of energy (one isolated and the other grid-connected). The results show that battery costs are too high to be profitable in HRES and that grid-connected systems seems to be a good alternative. Finally, we carried out an environmental impact assessment of several sources of electricity production to find out which are the “cleaner” ones. The results show that biomass, wind turbines and ground PV are those that should be considered for a sustainable energy transition. In the conclusion, we step back to a more complex viewpoint and develop perspectives to model human interactions within territory development process.

Ce travail de thèse est consacré à deux thèmes de recherche en Calcul Scientifique liés par l'approximation numérique de problèmes en mécanique des fluides. Le premier thème concerne l'approximation numérique des équations de Stokes, modélisant les écoulements de fluides incompressibles à vitesse faible. Ce thème est présent dans plusieurs travaux en Calcul Scientifique. La discrétisation en temps est réalisée à l'aide de la méthode de projection. La discrétisation en espace utilise la méthode des éléments finis mixtes hybrides qui permet d'imposer de façon exacte la contrainte d'incompressibilité. Cette approche est originale: la méthode des éléments mixtes hybrides est couplée avec une méthode d'éléments finis standards. L'ordre de convergence des deux méthodes est préservé. Le second thème concerne la mise au point de méthodes numériques de type volumes finis pour la résolution de l'équation Level Set. Ces équations interviennent de manière essentielle dans la résolution des problèmes de propagation d'interfaces. Dans cette partie, nous avons développé une nouvelle méthode d'ordre 2 de type MUSCL pour résoudre le système hyperbolique résultant de l'équation Level Set. Nous illustrons ces propriétés par des applications numériques. En particulier nous avons regardé le cas du problème des deux demi-plans pour lequel notre schéma donne une approximation pour le gradient de la fonction Level Set. Par ailleurs, l'ordre de précision attendu est obtenu avec les normes $L_1$ et $L_{\infty}$ pour des fonctions régulières. Pour finir, il est à noter que notre méthode peut être facilement étendue aux problèmes d'Hamilton-Jacobi du premier et du second ordre.

Les réseaux de régulation génique contrôlent le développement et le fonctionnement des organismes vivants. Etant donné que la plupart des réseaux de régulation génique d'intérêt biologique sont grands et que leur dynamique est complexe, la compréhension de leur fonctionnement est un problème biologique majeur. De nombreuses méthodes ont été développées pour la modélisation et la simulation de ces systèmes. Etonnamment, le problème de la validation de modèle n'a reçu jusqu'à récemment que peu d'attention. Pourtant, cette étape est d'autant plus importante que dans le contexte de la modélisation de réseaux de régulation génique, les systèmes modélisés sont complexes et encore imparfaitement connus.<br /><br />Dans cette thèse, nous proposons une approche permettant de tester la validité de modèles de réseaux de régulation génique en comparant les prédictions obtenues avec les données expérimentales. Plus spécifiquement, nous considérons dans ce travail une classe de modèles qualitatifs définis en termes d'équations différentielles linéaires par morceaux (LPM). Ces modèles permettent de capturer les aspects essentiels des régulations géniques, tout en ayant une forme mathématique simple qui facilite leur analyse symbolique. Egalement, nous souhaitons utiliser les informations qualitatives sur la dynamique du système données par les changements du sens de variation des concentrations des protéines du réseau. Ces informations peuvent être obtenues expérimentalement à partir de profils d'expression temporels.<br /><br />La méthode proposée doit satisfaire deux contraintes. Premièrement, elle doit permettre d'obtenir des prédictions bien adaptées à la comparaison avec le type de données considéré. Deuxièmement, étant donné la taille et la complexité des réseaux d'intérêt biologique, la méthode doit également permettre de vérifier efficacement la cohérence entre prédictions et observations.<br /><br />Pour répondre à ces deux contraintes, nous étendons dans deux directions une approche précédemment développée par de Jong et collègues pour l'analyse symbolique des modèles LPM qualitatifs. Premièrement, nous proposons d'utiliser une représentation plus fine de l'état du système, permettant d'obtenir, par abstraction discrète, des prédictions mieux adaptées à la comparaison avec les données expérimentales. Deuxièmement, nous proposons de combiner cette méthode avec des techniques de model checking. Nous montrons que l'utilisation combinée d'abstraction discrète et de model checking permet de vérifier efficacement les propriétés dynamiques, exprimées en logique temporelle, des modèles continus.<br /><br />Cette méthode a été implémentée dans une nouvelle version de l'outil Genetic Network Analyzer (GNA 6.0). GNA 6.0 a été utilisé pour la validation de deux modèles grands et complexes de l'initiation de la sporulation chez <I>B. subtilis</I> et de la réponse au stress nutritionnel chez <I>E. coli</I>. Nous avons ainsi pu vérifier que les prédictions obtenues étaient en accord avec la plupart des données expérimentales disponibles dans la littérature. Plusieurs incohérences ont également été identifiées, suggérant des révisions des modèles ou la réalisation d'expériences complémentaires. En dehors d'une contribution à une meilleure compréhension du fonctionnement de ces systèmes, ces deux études de cas illustrent plus généralement que, par la méthode proposée, il est possible de tester si des prédictions obtenues pour des modèles complexes sont cohérentes avec un large éventail de propriétés observables expérimentalement.

Les applications de télécommunications mobiles et de multimédia, notamment dans le domaine de l'embarqué, deviennent de plus en plus complexes au niveau calculatoire et consomment de plus en plus d'énergie. Afin de palier aux besoins calculatoires et énergétiques de ces applications, les concepteurs se sont orientés vers les architectures hybrides, associant des systèmes de nature et paradigme différents. Ces architectures ont retenu l'attention des concepteurs parce qu'elles présentent un bon compromis coût/performances calculatoires d'autant plus qu'elles possèdent des propriétés énergétiques intéressantes. En outre, l'émergence dans la dernière décade des architectures reconfigurables dynamiquement associant haute performance et encore plus de flexibilité, a fait que les dernières générations des architectures hybrides associent un ou plusieurs processeurs à une ou plusieurs architectures reconfigurables dynamiquement (ARD). Cette thèse s'inscrit dans cette thématique et a ainsi pour objectif d'apporter une modélisation précise de ces architectures ainsi que des méthodologies permettant d'exploiter leurs potentiels de performances. Une modélisation des mécanismes d'échange d'informations entre un processeur couplé à une ressource reconfigurable est d'abord proposée ce qui a permis une identification précise de modèles de performances. En utilisant ces modèles de performances, une méthodologie d'adéquation algorithme architecture permettant suivant les paramètres de l'application de déterminer le couplage CPU/ARD adéquat est présentée. Nous introduisons ces modèles de performances dans le flot de développement logiciel de ces architectures afin de permettre un partitionnement temporel automatique basé sur la détermination de la surface (en nombre d'unités fonctionnelles) de l'ARD nécessaire pour avoir des performances optimales et ce en trouvant le facteur de déroulage de boucle qui assure le maximum de performances pour l'architecture hybride. Le dernier aspect de ce travail concerne la validation de ces méthodologies et leur mise en oeuvre. Nous présentons pour cela les mécanismes d'implémentation d'un démodulateur multimode DVB-T/H et d'un récepteur WCDMA dynamique sur une architecture hybride reconfigurable dynamiquement.

Depuis environ cinq ans, les systèmes hybrides neurosymboliques (SHNS) combinent réseaux de neurones artificiels et systèmes symboliques (systèmes à base de connaissances), dans le but de profiter de leurs points forts respectifs. Nous présentons une taxonomie des nombreux SHNS existants, selon deux points de vue, le degré de couplage (faible, étroit, fort) et le type d'interactions (pré/post-traitement, sous-traitance, coopération, méta-traitement). La taxonomie comprend aussi deux approches moins hybrides de l'intégration des caractéristiques des réseaux de neurones et des systèmes symboliques, l'approche purement neuronale et celle fondée sur des traductions. Nous étudions ensuite un SHNS existant, SYNHESYS, et examinons ses possibilités d'application en micro-électronique et en géographie alpine. Puis nous proposons une nouvelle architecture hybride, NESSY3L, et son application au pilotage réactif d'un robot mobile. L'architecture comporte trois niveaux coopérants, neuronal pur, neurosymbolique, symbolique pur, et a été intégrée dans le simulateur de robot MOLUSC. Cette architecture offre des perspectives intéressantes pour les SHNS, dont la prise en compte du temps, le développement de mécanismes inter-niveaux et l'évolution vers un couplage fort, l'utilisation d'idées provenant des autres approches de l'intégration neurosymbolique.

Cette thèse s'intéresse au pilotage des cycles limites pour une classe particulière de systèmes hybrides (SDH) : les systèmes commutés cycliques. La thématique des SDH est née du constat d'insuffisance des modèles dynamiques classiques pour décrire les comportements lorsque des aspects évènementiels interviennent. Une classe particulièrement importante de SDH est formée par celle qui présente un régime permanent cyclique. Ces systèmes ont des points de fonctionnement non auto-maintenables : il n'existe pas de commande qui maintienne le système sur ce point. Le maintien n'est assuré qu'en valeur moyenne, en effectuant un cycle dans un voisinage du point par commutation des sous systèmes. L'établissement d'une loi de commutation pour cette classe de systèmes doit répondre aux objectifs de stabilité et de performance dynamique, mais doit également garantir la satisfaction de critères liés à la forme d'onde. A l'heure actuelle, peu de méthodes de commande prennent en compte le caractère cyclique du système. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de développer des méthodes génériques et robustes pour piloter cette classe de systèmes. Les algorithmes proposés doivent également pouvoir être implémenté en temps réels. On modélise le système comme un système non - linéaire affine en la commande dont la loi de commande apparait dans le modèle. Ce type de modélisation permet d'envisager deux types de synthèse : l'une à base de commande prédictive et l'autre à base de commande optimale. Ce travail est validé par une partie applicative sur des manipulations dans le CRAN et dans des laboratoires du réseau d'excellence européenne HYCON dans le cadre duquel s'est déroulé cette étude.

Cette thèse a eu pour objectif l'élaboration de matériaux hybrides auto-assemblés à base de poly(3-hexylthiophène) et de nanocristaux de CdSe en vue d'applications en cellules photovoltaïques. Pour cela, des groupements de reconnaissance moléculaire complémentaires ont été introduits latéralement à la chaîne principale du polymère et à la surface de nanocristaux. Ainsi des groupements diaminopyrimidine ont été introduits par post-fonctionnalisation d'un copolymère de poly(3-hexylthiophène-co-3-bromohexylthiophène) et des groupements thymine ont été introduits à la surface des nanocristaux par réaction d'échange de ligand avec le 1-(6-mercapto-hexyl)thymine.<br />Les solubilités respectives du polymère et des nanocristaux rendent leur mise en œuvre par mélange de solutions difficile. Un protocole « one pot » a été développé, mais cette voie reste peu satisfaisante du point de vue du contrôle de la composition de l'hybride et de la mise en œuvre pour des dispositifs photovoltaïques.<br />Finalement, la technique du dépôt couche par couche permet de s'affranchir des problèmes de solubilités tout en contrôlant précisément le processus de dépôt. Quelques paramètres expérimentaux du dépôt couche par couche ont été explorés pour identifier leurs influences sur les dépôts. Les films obtenus ont ensuite été caractérisés par des techniques de microscopie et diffraction des rayons X, révélant une structure interpénétrée plutôt que multicouche. Le comportement électrochimique de ces films a également été étudié par cyclovoltammétrie et spectroélectrochimie UV-vis-PIR. Des cellules solaires ont été réalisées avec ces hybrides et elles ont été testées sous éclairement. Les caractéristiques I=f(V) obtenues révèlent qu'un effet photovoltaïque a bien lieu dans ces matériaux.

Cette thèse aborde une classe de modèles de la dynamique de réseaux d'interaction biologique, en particulier génétique, définis comme systèmes d'équations différentielles affines par morceaux. Les morceaux en question sont des pavés d'un espace euclidien, dont la dimension est le nombre d'éléments en interaction dans le réseau. Chaque coordonnée représente le niveau d'activité d'un des éléments. La thèse se décompose en trois parties. Premièrement, après une brève introduction biologique, les modèles mathématiques les plus connus sont présentés. Les modèles affines par morceaux sont décrits de manière détaillée, et certains liens avec des modèles purement discrets, ainsi qu'avec des modèles différentiables incluant des sigmoïdes, sont précisés. Un récapitulatif détaillé de la littérature sur le sujet est fourni. Dans une deuxième partie, des résultats théoriques sont présentés. L'analyse des orbites périodiques, développée dans la littérature pour des systèmes linéaires par morceaux, est étendue au cas affine par morceaux. Ensuite, un point de vue géométrique et combinatoire est porté sur la dynamique locale, au niveau des pavés décrits plus haut. Les conséquences globales de cette analyse locale sont décrites en termes de dynamique symbolique. Il est montré en particulier que l'entropie topologique des systèmes affines par morceaux est strictement inférieure à celle de modèles purement discrets, pour une large classe de systèmes. La troisième partie concerne l'analyse numérique des systèmes étudiés. Après une présentation des algorithmes implémentés, un jeu de données de simulations en dimension 4 est analysé, ainsi qu'un exemple plus spécifique en dimension 3.

L'objectif de ce travail de thèse est d'examiner le rôle de la sous-criticité du coeur, en tant que moyen pour améliorer la sûreté des systèmes nucléaires innovants, notamment des réacteurs à sel fondu, dédiés à la production d'énergie et/ou à la transmutation/incinération des déchets nucléaires. La sûreté intrinsèque est considérée comme l'objectif ultime de cette amélioration. Une tentative d'appliquer une approche systématisée pour l'analyse de la contribution de la sous-criticitité au comportement intrinsèque des systèmes hybrides est effectuée. Les résultats de cette étude prouvent que la sous-criticité améliore bien la sûreté des réacteurs nucléaires, et même, dans certaines configurations, permet d'attendre la sûreté intrinsèque. Dans tous les cas, un choix approprié du niveau de sous-criticité rend les transitoires plus lents et monotones. Il est montré que le point faible pour des systèmes hybrides avec une source indépendante de neutrons sont les transitoires thermo-hydrauliques non protégés tandis que pour des hybrides avec des sources couplées ce sont les transitoires de réactivité. Pour surmonter les inconvénients intrinsèques à ces deux types de systèmes hybrides, un nouveau principe de réalisation des systèmes hybrides couplés est proposé (concept DENNY). De plus, des approches, qui permettent de remédier à certains problèmes de sûreté, sont proposées. Une analyse préliminaire du potentiel de sûreté intrinsèque pour un réacteur à sel fondu avec spectre rapide (concept REBUS) est effectuée. Enfin, le potentiel des sources alternatives de neutrons basées sur des réactions thermonucléaires et photo-nucléaires est examiné.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à des méthodes numériques pour un modèle d'écoulements incompressibles et miscibles ayant des application dans l'hydrogéologie et l'ingénierie pétrolière. Nous étudions et analysons un schéma numérique combinant une méthode d'éléments finis mixtes (EFM) et une méthode des volumes finis (VF) pour approcher le système couplé entre une équation elliptique (pression-vitesse) et une équation de convection-diffusion-réaction (concentration). Le schéma VF considérée est de type "vertex centred" semi-implicite en temps : explicite pour la convection et implicite pour la diffusion. On utilise un schéma de Godunov pour approcher le terme convectif et une approximation élément fini P1 pour le terme de diffusion. Nous montrons des résultats de stabilité L≂ estimations BV et le principe du maximum discret sous une condition CFL appropriée. Ensuite, nous montrons la convergence de la solution approchée obtenue par le schéma combiné EFM-VF vers la solution du problème couplé. La démonstration de la convergence se fait en plusieurs étapes : premièrement, on déduit la convergence forte de la solution approchée de la concentration dans L2(Q), en utilisant la stabilité L≂, les estimations BV et des arguments de compacité. Dans l'étape suivante, on étudie le schéma découplé EFM, en donnant des résultats de convergence pour la pression et la vitesse. Enfin, le processus de convergence de la solution approchée du schéma combiné EFM-VF vers la solution exacte est obtenu par passage à la limite et par unicité de solution pour le problème continu. Des simulations numériques académiques et réalistes pour des problèmes bidimensionnels confirment la stabilité et l'efficacité du schéma combiné. Enfin, nous étudions des estimateurs d'erreur a posteriori de type résiduel pour une équation de convection-diffusion-réaction discrétisée par un schéma VF "vertex centred" semi-implicite en temps. Nous introduisons deux sortes d'indicateurs. Le premier est local en temps et en espace et constitue un outil efficace pour l'adaptation du maillage à chaque pas de temps. Le second est global en espace mais local en temps et peut être utilisé pour l'adaptation en temps. Nous montrons que l'estimateur est une borne supérieure de l'erreur. Des résultats numériques d'adaptations de maillage sont présentés et montrent l'efficacité de la méthode. La partie logiciels de ce travail porte sur deux volets. Le premier a permis de réaliser un code de calcul 2D, MFlow, écrit en C++, pour la résolution du système des écoulements miscibles considérés dans cette thèse. Le second volet concerne la collaboration avec un groupe de chercheurs pour l'élaboration de la plate-forme Homogenizer++ réalisée dans le cadre du GDR MoMaS (http://momas.univ-lyon1.fr/).