Les algorithmes Branch and Bound (B&B) sont attractifs pour la résolution exacte de problèmes d'optimisation combinatoire (POC) par exploration d'un espace de recherche arborescent. Néanmoins, ces algorithmes sont très gourmands en temps de calcul pour des instances de problèmes de grande taille (exemple : benchmarks de Taillard pour FSP) même en utilisant le calcul sur grilles informatiques [Mezmaz et al., IEEE IPDPS'2007]. Le calcul massivement parallèle fourni à travers les plates-formes de calcul hétérogènes d'aujourd'hui [TOP500 ] est requis pour traiter effi cacement de telles instances. Le dé fi est alors d'exploiter tous les niveaux de parallélisme sous-jacents et donc de repenser en conséquence les modèles parallèles des algorithmes B&B. Dans cette thèse, nous nous attachons à revisiter la conception et l'implémentation des ces algorithmes pour la résolution de POC de grande taille sur (larges) plates-formes de calcul multi-coeurs et multi-GPUs. Le problème d'ordonnancement Flow-Shop (FSP) est considéré comme étude de cas. Une étude expérimentale préliminaire sur quelques grandes instances du FSP a révélé que l'arbre de recherche est hautement irrégulier (en forme et en taille) et très large (milliards de milliards de noeuds), et que l'opérateur d'évaluation des bornes est exorbitant en temps de calcul (environ 97% du temps de B&B). Par conséquent, notre première contribution est de proposer une approche GPU avec un seul coeur CPU (GB&B) dans laquelle seul l'opérateur d'évaluation est exécuté sur GPU. L'approche traite deux dé fis: la divergence de threads et l'optimisation de la gestion de la mémoire hiérarchique du GPU. Comparée à une version séquentielle, des accélérations allant jusqu'à ( 100) sont obtenues sur Nvidia Tesla C2050. L'analyse des performances de GB&B a montré que le surcoût induit par le transfert des données entre le CPU et le GPU est élevé. Par conséquent, l'objectif de la deuxième contribution est d'étendre l'approche (LL-GB&B) a fin de minimiser la latence de communication CPU-GPU. Cet objectif est réalisé grâce à une parallélisation à grain fin sur GPU des opérateurs de séparation et d'élagage. Le défi majeur relevé ici est la divergence de threads qui est due à la nature fortement irrégulière citée ci-dessus de l'arbre exploré. Comparée à une exécution séquentielle, LL-GB&B permet d'atteindre des accélérations allant jusqu'à ( 160) pour les plus grandes instances. La troisième contribution consiste à étudier l'utilisation combinée des GPUs avec les processeurs multi-coeurs. Deux scénarios ont été explorés conduisant à deux approches: une concurrente (RLL-GB&B) et une coopérative (PLL-GB&B). Dans le premier cas, le processus d'exploration est eff ectué simultanément par le GPU et les coeurs du CPU. Dans l'approche coopérative, les coeurs du CPU préparent et transfèrent les sous-problèmes en utilisant le streaming CUDA tandis que le GPU eff ectue l'exploration. L'utilisation combinée du multi-coeur et du GPU a montré que l'utilisation de RLL-GB&B n'est pas bénéfi que et que PLL-GB&B permet une amélioration allant jusqu'à (36%) par rapport à LL-GB&B. Sachant que récemment des grilles de calcul comme Grid5000 (certains sites) ont été équipées avec des GPU, la quatrième contribution de cette thèse traite de la combinaison du calcul sur GPU et multi-coeur avec le calcul distribué à grande échelle. Pour ce faire, les diff érentes approches proposées ont été réunies dans un méta-algorithme hétérofigène qui sélectionne automatiquement l'algorithme à déployer en fonction de la con figuration matérielle cible. Ce méta-algorithme est couplé avec l'approche B&B@Grid proposée dans [Mezmaz et al., IEEE IPDPS'2007]. B&B@Grid répartit les unités de travail (sous-espaces de recherche codés par des intervalles) entre les noeuds de la grille tandis que le méta-algorithme choisit et déploie localement un algorithme de B&B parallèle sur les intervalles reçus. L'approche combinée nous a permis de résoudre à l'optimalité et e fficacement les instances (20 20) de Taillard.

Dans les dernières décennies, l'augmentation de la consommation des services de soins et la croissance de la population ont fait de l'élimination du gaspillage et l'amélioration continue de la productivité de plus en plus cruciale pour les hôpitaux. La productivité et l'efficacité d'un hôpital dépendent des conditions de travail des soignants qui sont influencés fortement par l'organisation des lieux de travail et des installations [Dares (2013)]. L’agencement des installations consiste à "déterminer l'organisation physique d'un système de production et de trouver l’arrangement le plus efficace de ‘n’ installations dans ‘n’ positions" [Singh et Sharma (2006)]. L’agencement des installations a un grand impact sur la productivité et l'efficacité du fonctionnement d'un hôpital. Etant conscient de ce besoin, le travail que nous présentons vise à trouver une solution à l’agencement des salles du Bloc Opératoire "le coeur de l'hôpital", ainsi que les salles annexes en proposant un outil intelligent que nous mettons à la disposition des maitres d’ouvrages pour optimiser leur conception du bloc opératoire. Les méthodes que nous avons explorées pour la réalisation de ce travail sont les méthodes exactes, les heuristiques, les métaheuristiques et les méthodes intelligentes, ce qui nous a permis de comparer les différentes approches afin de fournir la meilleure solution pour différents scénarios de problèmes. Nous présentons les contributions majeures de notre travail, à commencer par l'application de la programmation mathématique en nombres entiers mixtes (Mixed Integer Programming (MIP)) pour résoudre le problème d’agencement du bloc opératoire (Operating Theater Layout Problem (OTLP)) comme la première contribution scientifique. Ce travail considère trois structures différentes (multi-section, multi-étage et multi-rangé) dans deux types d'environnement différents, tout en optimisant deux fonctions objectifs différents. La combinaison de ces différentes composantes donne lieu à neuf modèles MIP pour résoudre l’OTLP pour lesquels une solution optimale a été atteinte pour des problèmes avec jusqu'à quarante salles. L'utilisation de Systèmes Multi-Agents (MAS) pour résoudre le problème d’agencement des installations est la deuxième contribution scientifique que nous présentons dans le cinquième chapitre. Dans la littérature, on retrouve un seul travail [Tarkesh et al., (2009)] ayant appliqué le MAS pour résoudre des problèmes de petites tailles, ce qui rend notre travail, le premier adoptant MAS pour répondre à la fois le FLP sous environnement statique et dynamique pour des problèmes de grande taille en utilisant un algorithme en trois étapes pour résoudre OTLP. La plate-forme multi-agents développée exploite les trois différents protocoles de communication d’agents, à savoir la coordination, la coopération et la négociation pour concevoir différentes architectures d’agents afin de faire face à l’OTLP statique et dynamique. La dernière contribution consistant en l'utilisation de l’optimisation par essaim de particules (Particle Swarm Optimization (PSO)) sous une représentation continue de l’espace de recherche pour résoudre le problème d’agencement multi-rangée est présentée dans le sixième chapitre. Puisque la PSO est généralement utilisé pour résoudre les problèmes d’affectation ou les FLP avec une représentation discrète, la formulation actuelle est parmi les rares travaux traitant la représentation continue du FLP. Nous avons conçu une nouvelle technique de codage des particules et des heuristiques appropriées pour générer des solutions initiales et pour effectuer la procédure de recherche locale. Une autre nouveauté est liée à l'application de la PSO à un problème de structure multi-rangé, qui n'a pas été abordé auparavant car à notre connaissance, les travaux avec la PSO ont formulé le FLP comme une structure d’une seule rangée ou dans le meilleur des scénarios, comme une structure à deux rangées / In the last decades, the important increasing consumption of health care and the growing of population make elimination of waste and continuous productivity improvement more and more critical for hospitals to provide their care services effectively and efficiently. The productivity and efficiency of a hospital depends on the caregivers working conditions, which are impacted greatly by the work place and the facilities organization [Dares (2013)]. Facilities planning “determines the physical organization of a production system and finding the most efficient arrangement of ‘n’ indivisible facilities in ‘n’ locations” [Singh & Sharma (2006)]. Thus, facilities planning has a great impact on the productivity and efficiency of running a hospital. Being aware of this need, the work we present aims to find a solution to facilities planning for the Operating Theater “the heart of hospital” by proposing an intelligent tool we make available to decision makers for optimizing their operating theater design. Our research work focuses on the use of operational research methods in order to find a solution for this optimization problem. Methods we explored for the realization of this work were variant, namely exact algorithm, heuristics, metaheuristics and intelligent methods, which allow us to compare different issues in order to provide the best solution to different scenarios of problems. Thus, in this dissertation we present the major contribution of our work, starting with the application of Mixed Integer Programming (MIP) to solve Operating Theater Layout Problem (OTLP) as the first scientific contribution. This work considers three different formulations (i.e. the multi-sections, the multi-floors and the multi-rows) in two different environment types (i.e. static and dynamic) while optimizing two different objective functions (i.e. to minimize the total traveling cost and to maximize the total adjacency rate). The combination of these different components gives rise to nine MIP models to solve the OTLP for which optimal solution was provided to problems with until forty facilities. These contributions are presented in the third and fourth chapters. The use of Multi-Agent System (MAS) to solve Facility Layout Problem (FLP) is the second scientific contribution we present in chapter five. In literature, only one work [Tarkesh et al., (2009)] applied the MAS to solve small sized problems, which makes our work the first one adopting MAS to address both the static and dynamic FLP for large sized problems using a novel algorithm running in three steps to solve OTLP. The developed multi-agent platform exploit the three different agents’ protocols of communication, namely coordination, cooperation and negotiation to conceive different agents’ architectures to deal with the static and dynamic OTLP. The last contribution consisting on the use of Particle Swarm Optimization (PSO) under continuous layout representation to solve multi-rows FLP is presented in chapter six. Since the PSO is generally used to solve assignment problems or discrete FLP, the actual formulation is among the few works dealing with the continuous one. This leads us to conceive a novel encoding technique and the appropriate heuristics to generate initial solutions and to perform the local search procedure. Another novelty is related to the application of PSO to a multi-rows layout problem, which was not addressed before. To the best of our knowledge, PSO works usually formulate the FLP as a single row or in the best of scenarios, as a double-rows problem

Les problématiques de sécurité sont aujourd’hui un facteur différentiateur clé dans le secteur aéronautique. Bien que certains systèmes d’assistance aux hélicoptères existent et qu’une partie de la connaissance associée aux situations d’urgence ait pu être identifiée, reste que les travaux antérieurs se limitent pour la plupart à une autonomie de bas niveau. Ainsi la génération d’un plan de vol sous fortes contraintes de temps représente à ce jour une voie d’exploration nouvelle, et un défi technologique essentiel pour l’hélicoptère de demain. A cet égard, AIRBUS HELICOPTERS accorde un fort intérêt à la conception d’un système décisionnel capable de générer des plans de vols en temps réel. L’enjeu de l’intelligence répartie au travers de systèmes décisionnels distribués constitue un axe de recherche fort, et un des contributeurs clés pour un positionnement leader d’AIRBUS HELICOPTERS sur la thématique sécurité. Aujourd’hui, l’étude des systèmes décisionnels embarqués dans les engins volants constitue un défi majeur pour divers groupes de travail académiques et industriels. En effet, la résolution de ce défi fait appel généralement à différentes compétences afin de maîtriser plusieurs aspects du système recouvrant les domaines d’acquisition, d’analyse et de traitement de données. Et ce dans le but de prendre des décisions en temps-réel en prenant en considération plusieurs paramètres contextuels et environnementaux. Les défis scientifiques à contourner dans la présente thèse s’articulent sur deux axes majeurs. Dans un premier temps, il faut proposer une approche complète pour une planification en temps réel d’un plan de vol d’hélicoptères. Permettant à cette dernière de faire face à d’éventuels événements dynamiques tel que l’apparition de nouveaux obstacles ou un changement de mission. Ensuite, nous nous intéressons à une implantation embarquée de la solution proposée sur une architecture hétérogène haute performance. / Security issues are today a key-differentiator in the aviation sector. Indeed, it comes to ensure the safety of expensive equipments but above all to save human lives. In this context, it is necessary to offer an important level of autonomy to helicopters. Although some studies have been carried out in this area, the dynamic generation of a sequence of maneuvers under hard time constraints in an unknown environment still represents a major challenge for many academic and industrial working groups. AIRBUS HELICOPTERS as a leader of helicopters manufacturing, looks forward to integrate an assistance system for mission re-planning in the next generation of aircrafts.The work conducted in this PhD thesis falls within a collaboration between AIRBUS HELICOPTERS and UNIVERSITE DE VALENCIENNES ET DU HAINAUTCAMBRESIS. One of the main purposes of this work is efficient flight plan generation. Indeed, for intelligent assistant systems we need to generate a new path planning inorder to face emergency events such as an equipment failure or adverse weather conditions. The second major objective of this work is the deployment of mission planning tasks onto a high performance architecture CPU/FPGA in order to meet real-time requirements for the dynamic optimization process. In the present work, we first studied efficient flight plan generation. Indeed, we developed efficient and effective algorithms for helicopter path planning. Then, in order to obtain a real-time system, we resolved the problem of scheduling optimization on a heterogeneous architecture CPU / FPGA by proposing several scheduling methods including exact approaches and heuristics.

Un très grand nombre de problèmes combinatoires appartient à la famille des problèmes de satisfaction de contraintes (Constraint Satisfaction Problem ou CSP) : configuration, ordonnancement, affectation de ressources... Ces problèmes partagent une description commune qui autorise en général une modélisation claire et intuitive. Dans cette thèse, nous avons proposé et étudié une nouvelle méthode de résolution hybride pour les CSPs. Nous avons nommé cette méthode Tabu-NG pour Tabu Search based on NoGood. Le nom est un peu réducteur car il s'agit d'une hybridation d'algorithme de filtrage, de propagation de contraintes, de Recherche Tabou et de gestion de nogoods. La méthode a été appliquée sur deux types de problèmes. Le premier est l'affectation des fréquences (FAP) dans les réseaux de radiocommunications militaires, en particulier les problèmes proposés de 1993 (instances du projet européen CALMA) jusqu'à 2010 (instances d'un projet DGA). Le deuxième est le problème académique de k-coloration de graphes sur les instances DIMACS. La méthode a amélioré quelques meilleurs scores connus actuellement. Dans les deux problèmes nous avons traité des contraintes unaires et binaires, ainsi que des contraintes n-aires et de l'optimisation de fonction sous contraintes pour le FAP. Les principes de Tabu-NG sont généraux et elle peut s'appliquer sur d'autres CSP. Elle peut par ailleurs accueillir des heuristiques spécifiques aux problèmes, nous l'avons pratiqué sur les problèmes cités, et en ce sens nous pensons pouvoir qualifier la méthode de métaheuristique sans abuser de cette définition.

Le travail réalisé dans cette thèse s'intègre globalement dans le cadre de I'observation et la surveillance maritime.Afin d'améliorer la reconnaissance et I'identification automatique de cibles noyées dans un environnement perturbé, nous avons opté à la fusion de différentes connaissances et informations concernant une scène observée à distance par des capteurs micro-ondes. En effet, plusieurs phénomènes physiques co-existent et perturbent la propagation des ondes électromagnétiques au-dessus d'une surface et notamment au-dessus d'une surface maritime hétérogène (la réfraction due aux gradients d'indice, la rugosité de la surface de mer, les effets hydrodynamiques non linéaires du type vagues déferlantes, la présence d'objets, les polluants, sillage de navires, zones côtières, ...). Dans ce contexte, le travail présenté dans cette thèse porte sur l'étude de la signature électromagnétique (coefficients de diffusion) d'une surface maritime hétérogène avec la prise en compte des phénomènes hydrodynamiques (linéaires : vagues de capillarité et de gravité, non linéaires : vagues déferlantes). Cette estimation de la signature électromagnétique est effectuée en configuration bistatique (monostatique et propagation avant) et en bande X. L'étude complète de cette problématique est difficile. En effet, le déferlement est un processus dissipatif de l'énergie qui correspond à la dernière étape de la vie d'une vague et qui a donc le plus souvent lieu à I'approche du rivage. Ce phénomène non linéaire produit un pic de mer qui est une augmentation rapide des coefficients de diffusion et qui peut dépasser 10 dB dans une période de 100 ms. Ce pic peut conduire à des échos parasites, qui peuvent être identifiés comme des cibles virtuelles, et par la suite elles peuvent perturber le système de détection radar (fausses alarmes). Par conséquent, pour améliorer le processus de détection et pour réduire le taux de fausses alarmes, il est important de distinguer entre les cibles et les pics de mer générés par des vagues déferlantes. Ceci constitue I’une des motivations et aussi I'intérêt d'étudier la signature électromagnétique des vagues déferlantes dans différentes configurations d'observation de sorte que nous puissions facilement indiquer la présence voir I'identification des pics de mer. Pour contribuer à cette problématique, nous avons proposé une méthodologie basée sur un modèle électromagnétique hybride basé sur une combinaison d'une part de méthodes asymptotiques(SPMI utilisée dans le cadre de ce travail) pour simuler la réponse radar des vagues linéaire (vagues de capillarité et de gravité décrites via le spectre de mer d'Elfouhaily), et d'autre part de méthodes exactes (MoM, FB < Forward-Backward ) retenue dans le travail présenté dans ce manuscrit) pour calculer la réponse électromagnétique des vagues non-linéaires (profils considérés sont issus des résultats du code LONGTANK). Afìn de compléter l'étude théorique et les simulations réalisées, nous avons effectué une phase d'évaluation et de validation par des mesures de signature radar réalisées dans la chambre anéchoïque de I'Ensta Bretagne. / The work done in this thesis fits generally under the observation and maritime surveillance. To improve the detection and automatic identification of targets embedded in a noisy environment targets, we opted for the fusion of different knowledge and information regarding a remotely observed scene by microwave sensors. Indeed, several physical phenomena co-exist and interfere with the propagation of electromagnetic waves over a heterogeneous sea surface (the refraction due to the index gradients, the roughness of the sea surface, nonlinear hydrodynamic effects like waves breaking, the presence of objects, pollutants, ship wake, coastal areas,..). In this context, the work presented in this thesis focuses on the study of electromagnetic signature (diffusion coefficients) of a heterogeneous sea surface with consideration of hydrodynamic phenomena (linear: capillary and gravity waves, nonlinear: breaking waves). The electromagnetic signature is performed in bistatic configuration (monostatic and forward propagating) and in X-band. The complete study of this problem is difficult.Indeed, the breaking wave is a dissipative process of energy that corresponds to the last stage of the life of a wave and therefore has most often held in the shore. This nonlinear phenomenon produces a sea peak which is a rapid increase of the diffusion coefficients and can exceed l0 dB in a 100 ms period. This peak can lead to clutter, which can be identified as virtual targets, and then they can disrupt the detection radar system (false alarms). Therefore, to improve the detection process and reduce the false alarm rate, it is important to distinguish between targets and sea peaks generated by breaking waves. This represents one of the motivations and also the interest to study the electromagnetic signature of breaking waves in different observation configurations so that we can easily detect and identify the sea peaks. To solve this problem, we proposed a methodology based on a hybrid electromagnetic model which is on a combination of asymptotic methods (SPMI used in this work) to simulate the radar response of linear waves (capillary and gravity waves described via the Elfouhaily sea spectrum) and an exact methods, the method of moment (the FB "Forward-Backward" method is used in this work), to calculate the electromagnetic response of nonlinear waves (profiles are produced by the LONGTANK code). To complement the theoretical study and simulations, we carried out an evaluation and validation phase by measuring the radar signature of breaking wave profiles in the ENSTA Bretagne anechoic chamber.