Dans cette thèse on étudie quelques modèles macroscopiques pour des milieux conducteurs ou élastiques fortement hétérogènes et anisotropes obtenus par homogénéisation. Nous considérons le cas de l’homogénéisation périodique. En particulier pour le système de l’élasticité linéarisée modélisant les petites déformations d’un matériau fibré, nous étudions l’effet de l’anisotropie du matériau sur le modèle macroscopique et nous montrons que sous l’effet conjugué des conditions aux limites et de l’anisotropie des fibres, le système modélisant les déplacements à l’échelle macroscopique fait intervenir des termes non standard. Nous considérons plusieurs scalings et deux situations géométriques : dans la première le rayon des fibres cylindriques est du même ordre de grandeur que la taille de la période du milieu et dans la seconde la rayon est petit devant la période. Les résultats obtenus dans les deux cas, indépendants d’hypothèses de symétrie sur le matériau, permettent de retrouver les résultats déjà connus dans le cas de matériaux isotropes. / In this thesis we study some macroscopic models for drivers or elastic media highly heterogeneous and anisotropic obtained by homogenization. We consider the case of periodic homogenization. In particular the system of linearized elasticity modeling small deformations of a fiber material, we study the effect of material anisotropy on the macroscopic model and show that the combined effect of the boundary conditions and the anisotropy of the fiber system modeling movement at the macroscopic scale involves non-standard terms. We consider several scalings and two geometric situations: in the first radius of cylindrical fibers is of the same order of magnitude as the size of the middle period and in the second the radius is small compared to the period. The results obtained in both cases, independent of symmetry assumptions on the material used to find the results already known in the case of isotropic materials.

abstract: The main objective of mathematical modeling is to connect mathematics with other scientific fields. Developing predictable models help to understand the behavior of biological systems. By testing models, one can relate mathematics and real-world experiments. To validate predictions numerically, one has to compare them with experimental data sets. Mathematical modeling can be split into two groups: microscopic and macroscopic models. Microscopic models described the motion of so-called agents (e.g. cells, ants) that interact with their surrounding neighbors. The interactions among these agents form at a large scale some special structures such as flocking and swarming. One of the key questions is to relate the particular interactions among agents with the overall emerging structures. Macroscopic models are precisely designed to describe the evolution of such large structures. They are usually given as partial differential equations describing the time evolution of a density distribution (instead of tracking each individual agent). For instance, reaction-diffusion equations are used to model glioma cells and are being used to predict tumor growth. This dissertation aims at developing such a framework to better understand the complex behavior of foraging ants and glioma cells. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Applied Mathematics 2019

Cette thèse porte sur la modélisation, l’analyse et l’analyse numérique des équations aux dérivées partielles non-linéaires et non-locales avec des applications au trafic routier. Le trafic routier peut être modélisé à des différentes échelles. En particulier, on peut considérer l’échelle microscopique qui décrit la dynamique de chaque véhicule individuellement et l’échelle macroscopique qui voit le trafic comme un fluide et qui décrit le trafic en utilisant des quantités macroscopiques comme la densité des véhicules et la vitesse moyenne. Dans cette thèse, en utilisant la théorie des solutions de viscosité, on fait le passage entre les modèles microscopiques et les modèles macroscopiques. L’intérêt de ce passage est que les modèles microscopiques sont plus intuitifs et faciles à manipuler pour simuler des situations particulières (bifurcations, feux tricolores,...) mais ils ne sont pas adaptés à des grosses simulations (pour simuler le trafic dans toute une ville par exemple). Au contraire, les modèles macroscopiques sont moins évidents à modifier (pour simuler une situation particulière) mais ils peuvent être utilisés pour des simulations à grande échelle. L’idée est donc de trouver le modèle macroscopique équivalent à un modèle microscopique qui décrit un scénario précis (une jonction, une bifurcation, des différents types de conducteurs, une zone scolaire,...). La première partie de cette thèse contient un résultat d’homogénéisation et d’homogénéisation numérique pour un modèle microscopique avec différents types de conducteurs. Dans une seconde partie, on obtient des résultats d’homogénéisation et d’homogénéisation numérique pour des modèles microscopiques con- tenant une perturbation locale (ralentisseur, zone scolaire,...). Finalement, on présente un résultat d’homogénéisation dans le cadre d’une bifurcation. / This work deals with the modelling, analysis and numerical analysis of non- linear and non-local partial differential equations and their application to traffic flow. Traffic can be simulated at different scales. Mainly, we have the microscopic scale which describes the dynamics of each of the vehicles individually and the macroscopic scale which describes the traffic as a fluid using macroscopic quantities such as the density of vehicles and the average speed. In this PhD thesis, using the theory of viscosity solutions, we derive macroscopic models from microscopic models. The interest of these results is that microscopic models are very intuitive and easy to manipulate to describe a particular situation (bifurcation, a traffic light,...), however, they are not adapted for big simulations (to simulate the traffic in an entire city for example). Conversely, macroscopic models are less easy to modify (to simulate a particular situation) but they can be used for big simulations. The idea is then to find the macroscopic model equivalent to a microscopic model describing a particular scenario (a junction, a bifurcation, different types of drivers, a school zone,...). The first part of this work contains an homogenization result and a numerical homogenization result for a microscopic model with different types of drivers. The second part contains an homogenization and numerical homogenization result for microscopic models with a local perturbation (a moderator, a school zone,...). Finally, we present an homogenization result for a bifurcation.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation de systèmes biologiques complexes. En premier lieu (travail en collaboration avec l'équipe de biologistes de Louis Casteilla), nous introduisons un modèle individus-centré pour étudier l'émergence de structures cellulaires de forme lobulaire dans un réseau organisé de fibres. Une étude paramétrique sur les résultats numériques ainsi que des méthodes de traitement d'images sur les données biologiques nous permettent de montrer que l'émergence de structures biologiquement cohérentes peut être reproduite par un modèle basé essentiellement sur des règles mécaniques entre les cellules et le réseau de fibres. L'originalité de ce modèle réside dans la modélisation de structures géométriques complexes (réseaux de fibres) par un ensemble d'unités élémentaires connectées interagissant à l'aide de fonctionnelles simples. Cette nouveauté a donné lieu à d'autres types de travaux en cours présentés comme perspectives directes de ce travail. Les deuxième et troisième parties portent sur la dérivation d'un modèle cinétique puis macroscopique pour étudier la matrice extra-cellulaire dans sa globalité. L'originalité de notre résultat réside dans l'obtention d'un système d'équations fermé décrivant l'évolution de la distribution des fibres individuelles et des liens de fibres. La limite hydrodynamique de l'équation cinétique est obtenue à l'aide de techniques non conventionnelles dû au un manque d'équation de conservation pour le système étudié. Dans le cas d'une densité homogène de fibres, nous prouvons l'existence de solutions au modèle macroscopique, et les simulations numériques montrent une bonne correspondance entre le modèle macroscopique et son homologue microscopique. Finalement (travail en collaboration avec S. Motsch), nous nous intéressons à l'influence d’interactions de type répulsion cellules-cellules dans un modèle de croissance tumorale. Nous montrons que le modèle macroscopique dérivé des équations microscopiques fait apparaître une instabilité et proposons une version modifiée de l'équation macroscopique que nous sommes capables de relier à la dynamique cellulaire. Les simulations numériques montrent la bonne correspondance entre les deux modèles. / In a first part (work in collaboration with the team of biologists of L. Casteilla) we propose an Individual based model for studying the emergence of lobule-like structures of cells in an organized fiber network. A parametric analysis on the numerical results as well as image processing methods on the biological images enable us to show that biologically-relevant structures can be reproduced by a model mostly based on cell-fiber mechanical interactions. The originality of this model mainly relies in the modelling of complex geometrical structures such as fiber networks as sets of connected elementary units interacting through simple functionals. This novelty has been used to build other types of models presented as direct perspective of this work. The second and third parts lie in the derivation of kinetic and macroscopic models for an interconnected fiber network, closely linked to the microscopic one. The originality of this work lies in the obtained closed system of two evolution equations: one for the distribution of individual fibers and one for the fiber links. In the case of homogeneous fiber density, we show existence of stationary solutions to the macroscopic equation, and numerical simulations show the good correspondence between the microscopic and macroscopic models. Finally (work in collaboration with S. Motsch), we are interested in the role of cell-cell interactions in the invasion properties (speed, geometry...) of a growing mass of cells. We show that the macroscopic model derived from the microscopic one features instabilities, and we propose a modified macroscopic model that we are able to link to the particle dynamics. The numerical simulations show the relevance of the macroscopic model to describe the microscopic dynamics at large scale.

Cette thèse porte sur l’analyse et l’homogénéisation d’équations aux dérivées partielles (EDP) posées sur des réseaux avec des applications en trafic routier. Deux types de travaux ont été réalisés : le premier axe de travail consiste à considérer des modèles microscopiques de trafic routier et d’établir une connexion entre ces modèles et des modèles macroscopiques du genre de ceux introduit par Imbert et Monneau [1]. Une telle connexion va permettre de justifier rigoureusement les modèles macroscopiques du trafic routier. En effet, les modèles microscopiques décrivent la dynamique de chaque véhicule individuellement et sont donc plus faciles à justifier du point de vue modélisation. Par contre, ces modèles ne sont pas utilisables pour décrire le trafic à grande échelle (des villes par exemple). Les modèles macroscopiques font le jeu inverse : ils sont fort pour décrire le trafic à grande échelle mais du point de vue modélisation, ils sont compliqués à mettre en œuvre pour prédire toutes les situations du trafic (par exemple trafic libre ou congestionné). Le passage du microscopique au macroscopique est fait en s’appuyant sur la théorie des solutions de viscosité et en particulier les techniques d’homogénéisation. Le second axe consiste à considérer une équation d’Hamilton-Jacobi avec une jonction qui bouge en temps. Cette équation peut décrire la circulation des voitures sur une route avec la présence d’un véhicule particulier (plus lent que les voitures par exemple). On prouve l’existence et l’unicité (par un principe de comparaison) d’une solution de viscosité pour cette EDP. [1] Cyril Imbert and Régis Monneau. Flux-limited solutions for quasi-convex hamilton-jacobi equations on networks. Annales Scientifiques de l’ENS, 50(2) :357–448, 2013. / This thesis deals with the analysis and homogenization of partial differential equations (PDE) posed on networks with application to traffic. Two types of work are done : the first line of work consists to consider microscopic traffic models in order to establish a connection between these models and macroscopic models like the one introduced by Imbert and Monneau [1]. Such connection allows to justify rigorously the macroscopic models of traffic. In fact, microscopic models describe the dynamic of each vehicle individually and so they are easy to justify from the modelization point of view. On the other hand, these models are complicated to implement in order to describe the traffic at large scales (cities for example). Macroscopic models do the opposite : they are effective for describing the traffic at large scales but from the modelization point of view, they are incapable to predict all traffic situations (for example free or congested flow). The passage from microscopic to macroscopic is done using the viscosity solutions theory and in particular homogenization technics. The second line of work consists to consider a Hamilton-Jacobi equation coupled by a junction condition which moves in time. This equation can describe the circulation of cars on a road with the presence of a particular vehicle (slower than the cars for example). We prove existence and uniqueness (by a comparison principle) of viscosity solution of this PDE. [1] Cyril Imbert and Régis Monneau. Flux-limited solutions for quasi-convex hamilton-jacobi equations on networks. Annales Scientifiques de l’ENS, 50(2) :357–448, 2013.

The Aw-Rascle-Zhang (ARZ) model has become a favorable ``second order" macroscopic traffic model, which corrects several shortcomings of the Payne-Whitham (PW) model. The ARZ model possesses a family of flow rate versus density (FD) curves, rather than a single one as in the ``first order" Lighthill-Whitham-Richards (LWR) model. This is more realistic especially during congested traffic state, where the historic fundamental diagram data points are observed to be set-valued. However, the ARZ model also possesses some obvious shortcomings, e.g., it assumes multiple maximum traffic densities which should be a ``property" of road. Instead, we propose a Generalized ARZ (GARZ) model under the generic framework of ``second order" macroscopic models to overcome the drawbacks of the ARZ model. A systematic approach is presented to design generic ``second order" models from historic data, e.g., we construct a family of flow rate curves by fitting with data. Based on the GARZ model, we then propose a phase-transition-like model that allows the flow rate curves to coincide in the free flow regime. The resulting model is called Collapsed GARZ (CGARZ) model. The CGARZ model keeps the flavor of phase transition models in the sense that it assume a single FD function in the free-flow phase. However, one should note that there is no real phase transition in the CGARZ model. To investigate to which extent the new generic ``second order" models (GARZ, CGARZ) improve the prediction accuracy of macroscopic models, we perform a comparison of the proposed models with two types of LWR models and their ``second order" generalizations, given by the ARZ model, via a three-detector problem test. In this test framework, the initial and boundary conditions are derived from real traffic data. In terms of using historic traffic data, a statistical technique, the so-called kernel density estimation, is applied to obtain density and velocity distributions from trajectory data, and a cubic interpolation is employed to formulate boundary condition from single-loop sensor data. Moreover, a relaxation term is added to the momentum equation of selected ``second order" models to address further unrealistic aspects of homogeneous models. Using these inhomogeneous ``second order" models, we study which choices of the relaxation term &tau are realistic. / Mathematics

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s’inscrivent dans le cadre des Systèmes de TransportIntelligents (STI). Bien que les premières études sur ces systèmes ont commencé dans les années 60, leurdéveloppement reposant sur les techniques de l’information et de la communication, a atteint sa maturitédans le début des années 80. Les STI, sont composés de différents systèmes et intègrent différents concepts(systèmes embarqués, capteurs intelligents, autoroutes intelligentes, . . .) afin d’optimiser le rendementdes infrastructures routières et répondre aux problèmes quotidiens des congestions. Ce mémoire présentequatre contributions dans le cadre du trafic routier et aborde les problèmes de l’estimation et de lacommande afin d’éliminer les problèmes de congestions « récurrentes ». Le premier point traite unproblème crucial dans le domaine des STI qui est celui de l’estimation. En effet, la mise en oeuvre delois de commande pour réguler le trafic impose de disposer de l’ensemble des informations concernantl’évolution de l’état du trafic. Dans ce contexte, deux algorithmes d’estimation sont proposés. Le premierrepose sur l’emploi du modèle METANET et les techniques de modes de glissement d’ordre supérieur. Lesecond est basé sur les CTM (Cell Transmission Models). Plusieurs études comparatives avec les filtresde Kalman sont proposées. La seconde contribution concerne la régulation du trafic. L’accent est mis surle contrôle d’accès isolé en utilisant les algorithmes issus du mode de glissement d’ordre supérieur. Cettecommande est enrichie en introduisant une commande intégrée combinant le contrôle d’accès et le routagedynamique. L’ensemble des résultats, validé par simulation, est ensuite comparé aux stratégies classiquesnotamment le contrôle d’accès avec l’algorithme ALINEA. La troisième contribution traite des problèmesde coordination. En effet, l’objectif est d’appliquer le principe de la commande prédictive pour contrôlerplusieurs rampes d’accès simultanément. L’ensemble des contributions ont été validées en utilisant desdonnées réelles issues en grande partie de mesures effectuées sur des autoroutes françaises. Les résultatsobtenus ont montré un gain substantiel en termes de performances tels que la diminution du trajet, dutemps d’attente, de la consommation énergétique, ainsi que l’augmentation de la vitesse moyenne. Cesrésultats permettent d’envisager plusieurs perspectives nouvelles de développement des recherches dansce domaine susceptibles d’apporter des solutions intéressantes. / The works presented in this PhD dissertation fit into the framework of Intelligent TransportationSystems. Although the beginnings of these systems have started since the 60s, their development, basedon information and communication technologies, has reached maturity during the early 80s. The ITS usesthe intelligence of different systems (embedded systems, intelligents sensors, intelligents highways, etc.)in order to optimize road infrastructures performances and respond to the daily problems of congestions.The dissertation presents four contributions into the framework of road traffic flow and tackles theestimation and control problems in order to eliminate or at least reduce the “recurrent" congestionsphenomena. The first point treats the problem of traffic state estimation which is of most importance inthe field of ITS. Indeed, the implementation and performance of any control strategy is closely relatedto the ability to have all needed information about the traffic state describing the dynamic behavior ofthe studied system. Two estimation algorithms are then proposed. The first one uses the “metanet"model and high order sliding mode techniques. The second is based on the so-called Cell TransmissionModels. Several comparative studies with the Kalman filters, which are the most used in road traffic flowengineering, are established in order to demonstrate the effectiveness of the proposed approaches. Thethree other contributions concern the problem of traffic flow control. At first, the focus is on the isolatedramp metering using an algorithm based on the high order sliding mode control. The second contributiondeals with the dynamic traffic routing problem based on the high order sliding mode control. Such controlstrategy is enriched by introducing the concept of integration, in the third contribution. Indeed, integratedcontrol consists of a combination of several traffic control algorithms. In this thesis the proposed approachcombines an algorithm of on-ramp control with a dynamic traffic routing control. The obtained results arevalidated via numerical simulations. The validated results of the proposed isolated ramp metering controlare compared with the most used ramp metering strategy : ALINEA. Finally, the last contributiontreats the coordination problems. The objective is to coordinate several ramps which cooperate andchange information in order to optimize the highway traffic flow and reduce the total travel time in theapplied area. All these contributions were validated using real data mostly from French freeways. Theobtained results show substantial gains in term of performances such as travel time, energetic consumptiondecreasing, as well as the increasing in the mean speed. These results allow to consider several furtherworks in order to provide more interesting and efficient solutions in the ITS field.

Dans cette thèse, on considère plusieurs problèmes issus de la modélisation macroscopique des mouvements de foule. Le premier modèle consiste en une loi de conservation avec un flux discontinu, le second est un système mixte hyperbolique-elliptique et le dernier est une équation non-locale. D'abord, on utilise le modèle de Hughes une dimension pour décrire l'évacuation d'un couloir avec deux sorties. Ce modèle couple une loi de conservation avec un flux discontinu à une équation eikonale. On implémente la méthode de suivi de fronts, qui traite explicitement le comportement de la solution non-classique au point de rebroussement, afin d'obtenir des solutions de référence. Elles serviront à tester numériquement la convergence de schémas aux volumes finis classiques. Ensuite, on modélise le croisement de deux groupes marchant dans des directions opposées avec un système de lois de conservation mixte hyperbolique-elliptique dont le flux dépend des deux densités. Le système perd son hyperbolicité pour certainement valeurs de densité. On assiste à l'apparition d'oscillations persistantes mais bornées, ce qui conduit à la reformulation du problème associé dans le cadre des mesures de probabilités. Finalement, on étudie un modèle non-local de trafic piétonnier en deux dimensions. Le modèle consiste en une loi de conservation dont le flux dépend d'une convolution de la densité. Avec ce modèle, on résout un problème d'optimisation pour une évacuation d'une salle avec une méthode de descente, évaluant l'impact du calcul explicite du gradient de la fonction coût avec la méthode de l'état adjoint plutôt que son approximation par différences finies. / In this thesis, we consider nonclassical problems brought out by the macroscopic modeling of pedestrian flow. The first model consists of a conservation law with a discontinuous flux, the second is a mixed hyperbolic-elliptic system of conservation laws and the last one is a nonlocal equation. In the first chapter, we use the Hughes model in one space-dimension to represent the evacuation of a corridor with two exits. The model couples a conservation law with discontinuous flux to an eikonal equation. We implement the wave front tracking scheme, treating explicitly the solution nonclassical behavior at the turning point, to provide a reference solution, which is used to numerically test the convergence of classical finite volume schemes. In the second chapter, we model the crossing of two groups of pedestrians walking in opposite directions with a system of conservation laws whose flux depends on the two densities. This system loses its hyperbolicity for certain density values. We assist to the rising of persistent but bounded oscillations, that lead us to the recast of the problem in the framework of measure-valued solutions. Finally we study a nonlocal model of pedestrian flow in two space-dimensions. The model consists of a conservation law whose flux depends on a convolution of the density. With this model, we solve an optimization problem for a room evacuation with a descent method, evaluating the impact of the explicit computation of the cost function gradient with the adjoint state method rather than approximating it with finite differences.