Aujourd’hui, la biologie des systèmes est confrontée aux défis de l’analyse de l’énorme quantité de données biologiques et à la taille des réseaux métaboliques pour des analyses à grande échelle. Bien que plusieurs méthodes aient été développées au cours des dernières années pour résoudre ce problème, ce sujet reste un domaine de recherche en plein essor. Cette thèse se concentre sur l’analyse des propriétés structurales, le calcul des modes élémentaires de flux et la détermination d’ensembles de coupe minimales du graphe formé par ces réseaux. Dans notre recherche, nous avons collaboré avec des biologistes pour reconstruire un réseau métabolique de taille moyenne du métabolisme cellulaire de la plante, environ 90 noeuds et 150 arêtes. En premier lieu, nous avons fait l’analyse des propriétés structurelles du réseau dans le but de trouver son organisation. Les réactions points centraux de ce réseau trouvés dans cette étape n’expliquent pas clairement la structure du réseau. Les mesures classiques de propriétés des graphes ne donnent pas plus d’informations utiles. En deuxième lieu, nous avons calculé les modes élémentaires de flux qui permettent de trouver les chemins uniques et minimaux dans un réseau métabolique, cette méthode donne un grand nombre de solutions, autour des centaines de milliers de voies métaboliques possibles qu’il est difficile de gérer manuellement. Enfin, les coupes minimales de graphe, ont été utilisés pour énumérer tous les ensembles minimaux et uniques des réactions qui stoppent les voies possibles trouvées à la précédente étape. Le nombre de coupes minimales a une tendance à ne pas croître exponentiellement avec la taille du réseau a contrario des modes élémentaires de flux. Nous avons combiné l’analyse de ces modes et les ensembles de coupe pour améliorer l’analyse du réseau. Les résultats montrent l’importance d’ensembles de coupe pour la recherche de la structure hiérarchique du réseau à travers modes de flux élémentaires. Nous avons étudié un cas particulier : qu’arrive-t-il si on stoppe l’entrée de glucose ? En utilisant les coupes minimales de taille deux, huit réactions ont toujours été trouvés dans les modes élémentaires qui permettent la production des différents sucres et métabolites d’intérêt au cas où le glucose est arrêté. Ces huit réactions jouent le rôle du squelette / coeur de notre réseau. En élargissant notre analyse aux coupes minimales de taille 3, nous avons identifié cinq réactions comme point de branchement entre différent modes. Ces 13 réactions créent une classification hiérarchique des modes de flux élémentaires fixés et nous ont permis de réduire considérablement le nombre de cas à étudier (approximativement divisé par 10) dans l’analyse des chemins réalisables dans le réseau métabolique. La combinaison de ces deux outils nous a permis d’approcher plus efficacement l’étude de la production des différents métabolites d’intérêt par la cellule de plante hétérotrophique. / Nowadays, systems biology are facing the challenges of analysing the huge amount of biological data and large-scale metabolic networks. Although several methods have been developed in recent years to solve this problem, it is existing hardness in studying these data and interpreting the obtained results comprehensively. This thesis focuses on analysis of structural properties, computation of elementary flux modes and determination of minimal cut sets of the heterotrophic plant cellmetabolic network. In our research, we have collaborated with biologists to reconstructa mid-size metabolic network of this heterotrophic plant cell. This network contains about 90 nodes and 150 edges. First step, we have done the analysis of structural properties by using graph theory measures, with the aim of finding its owned organisation. The central points orhub reactions found in this step do not explain clearly the network structure. The small-world or scale-free attributes have been investigated, but they do not give more useful information. In the second step, one of the promising analysis methods, named elementary flux modes, givesa large number of solutions, around hundreds of thousands of feasible metabolic pathways that is difficult to handle them manually. In the third step, minimal cut sets computation, a dual approach of elementary flux modes, has been used to enumerate all minimal and unique sets of reactions stopping the feasible pathways found in the previous step. The number of minimal cut sets has a decreasing trend in large-scale networks in the case of growing the network size. We have also combined elementary flux modes analysis and minimal cut sets computation to find the relationship among the two sets of results. The findings reveal the importance of minimal cut sets in use of seeking the hierarchical structure of this network through elementary flux modes. We have set up the circumstance that what will be happened if glucose entry is absent. Bi analysis of small minimal cut sets we have been able to found set of reactions which has to be present to produce the different sugars or metabolites of interest in absence of glucose entry. Minimal cut sets of size 2 have been used to identify 8 reactions which play the role of the skeleton/core of our network. In addition to these first results, by using minimal cut sets of size 3, we have pointed out five reactions as the starting point of creating a new branch in creationof feasible pathways. These 13 reactions create a hierarchical classification of elementary flux modes set. It helps us understanding more clearly the production of metabolites of interest inside the plant cell metabolism.

Dans ce mémoire, nous présentons différentes approches de synthèse de contrôleurs réseaux de Petri en se basant sur la théorie des régions. Cette théorie présente quelques limites dans la synthèse de contrôle. En effet, la synthèse du contrôleur RdP, s’il existe, n’est pas du tout une tâche facile vue sa complexité de calcul et l’explosion combinatoire des états dans le graphe de marquage. De plus, le système linéaire de la théorie des régions à résoudre peut contenir des combinaisons convexes entre ces équations ce qui rend la théorie insoluble pour calculer les superviseurs RdP. Ce travail vise à simplifier la complexité de calcul de la théorie des régions en réduisant le nombre d’équations du système linéaire de la théorie des régions d’une part, et d’autre part en minimisant le temps de calcul des contrôleurs RdP. De nouveaux concepts de coupes minimales et de marquages canoniques ont été introduits afin d’appliquer la théorie des régions sur des zones précises du graphe et non pas sur la totalité du graphe de marquage. Finalement, deux autres nouvelles approches ont été développées pour synthétiser des contrôleurs RdP sans générer le graphe de marquage / In this work, we present different control synthesis approaches based on Petri nets and the theory of regions. This theory has some limitations in supervisory control. Indeed, the design on the PN controller, if it exists, is not an easy task due to the resolution complexity and the combinatorial explosion of states in the generated reachability graph. In addition, the linear system of the theory of regions may contain convex combinations of its equations making the theory insoluble. This work aims to simplify the computational complexity of the theory of regions by reducing the number of equations of the linear system and decreasing the computation time of PN controllers. Consequently, new concepts of minimal cuts and canonic markings are introduced in order to apply the theory of regions on specific zones of the graph and not on the whole reachability graph. Finally, two new approaches are developed to synthesize PN controllers without generating the reachability graph

Adverse weather such as hurricanes can significantly affect the reliability of composite power systems. Predicting the impact of hurricanes can help utilities for better preparedness and make appropriate restoration arrangements. In this dissertation, the impact of hurricanes on the reliability of composite power systems is investigated. Firstly, the impact of adverse weather on the long-term reliability of composite power systems is investigated by using Markov cut-set method. The Algorithms for the implementation is developed. Here, two-state weather model is used. An algorithm for sequential simulation is also developed to achieve the same goal. The results obtained by using the two methods are compared. The comparison shows that the analytical method can obtain comparable results and meantime it can be faster than the simulation method. Secondly, the impact of hurricanes on the short-term reliability of composite power systems is investigated. A fuzzy inference system is used to assess the failure rate increment of system components. Here, different methods are used to build two types of fuzzy inference systems. Considering the fact that hurricanes usually last only a few days, short-term minimal cut-set method is proposed to compute the time-specific system and nodal reliability indices of composite power systems. The implementation demonstrates that the proposed methodology is effective and efficient and is flexible in its applications. Thirdly, the impact of hurricanes on the short-term reliability of composite power systems including common-cause failures is investigated. Here, two methods are proposed to archive this goal. One of them uses a Bayesian network to alleviate the dimensionality problem of conditional probability method. Another method extends minimal cut-set method to accommodate common-cause failures. The implementation results obtained by using the two methods are compared and their discrepancy is analyzed. Finally, the proposed methods in this dissertation are also applicable to other applications in power systems.

Sistemų gedimo modeliavimas paprastai vykdomas taikant taip vadinamus gedimų medžius. Sistemos gedimo tikimybės ir gedimo atsiradimo priežasčių vertinimas dažniausiai atliekamas sudarant minimalių kirtimų aibę (MCS) ir pagal ją įvertinant gedimo tikimybę. Pastaruosius dvidešimt metų tiksliam gedimo tikimybės vertinimui yra taikoma dvejetainė sprendimų diagrama (BDD). Tačiau BDD sudarymo ir taikymo metodika vis dar yra tobulinama. Iki šiol Lietuvoje sistemos gedimo tikimybės vertinimui BDD dar nebuvo taikyta. Pristatant atliktą darbą aprašomi pagrindiniai MCS ir BDD sudarymo metodai bei jų taikymo ypatybės. Taip pat pateikiamas Kauno hidroelektrinės užtvankos vartų valdymo sistemos gedimo modelis ir gedimo tikimybės vertinimas. Šiuo tikslu buvo taikomi skirtingi MCS ir BDD sudarymo metodai bei atitinkamos programinės priemonės. Atlikus bandomuosius skaičiavimus taip pat pateikiamas gautų rezultatų palyginimas. Darbe apibūdinami pagrindiniai MCS ir BDD taikymo privalumai ir trūkumai bei pristatoma naujai sukurta programinė priemonė „DemoITE“. Taikant išanalizuotus algoritmus bei sukurtą programinę priemonę „DemoITE“ buvo ištirtos ir nustatytos sistemos gedimo priežastys bei tiksliai įvertinta sistemos gedimo tikimybė. Be to, pasiūlyta bazinių įvykių rangavimo principas, įgalinantis gauti mažiausią BDD struktūrą. / Modelling of system failure usually is performed applying so-called fault trees. Assessment of system failure probability and failure occurrence causes usually is performed developing a minimal cut-set (MCS) and according to it evaluating probability of system failure. The last twenty years a binary decision diagram (BDD) has been applied for the exact evaluation of system failure. However, a methodology of creation and application of BDD is still under development. Till now in Lithuania for the assessment of system failure probability BDD has not been applied yet. Presenting a performed work the main methods of development of MCS and BDD as well as features of their application is described. Also, the model and assessment of failure of Kaunas hydropower dam gates’ control system is presented. For this task the different methods of development of MCS and BDD as well as corresponding software was applied. Having performed the testing calculations a comparison of results is presented too. In the work the main advantages and disadvantages of MCS and BDD application are described and newly created software “DemoITE” is introduced. The developed algorithms and universal software “DemoITE” is used for visualization of failure causes and for exact estimation of the investigated system failure probability. Also, it is proposed the order of basic events on purpose to design the least BDD.