Les réseaux métaboliques permettent à l’utilisateur la construction de modèles détaillés en utilisant des jeux de données dites “omiques” de haute résolution. En particulier, les modèles par contraintes (CBM, en anglais) sont utilisés pour obtenir des prédictions quantitatives à partir de modèles métaboliques. Pendent les 20 dernières années, CBMs ont été appliqués avec succès à un large éventail de problèmes dans plusieurs aspects de la physiologie microbienne. L’objectif principal de la présente thèse est d’utiliser les CBM comme une technique de modélisation dans le contexte de l’écologie microbienne. En particulier, les effets du réseau métabolique sur l’environnement et les effets des variables environnementales sur la physiologie sont explorés à l’aide de mesures de confiance. La première section est dédiée à l’application des CBM à des réseaux métaboliques isolées. D’abord, une nouvelle application de CBM est utilisée pour étudier l’insertion de gènes tels qu’ils sont optimales pour maximiser le taux de croissance. Ensuite, les effets des conditions environnementales dans une chemostat chez le réseau métabolique, sont évalués par des approches CBM classiques et contrastés avec des observations expérimentales. Enfin, un nouveau CBM est développé pour déterminer les conditions environnementales telles qu’elles favorisent le la perte des gènes. La deuxième section comporte sur les interactions entre plusieurs réseaux métaboliques différents. L’utilisation de compartiments pour représenter différents microorganismes est d’abord justifiée. Ensuite, une révision des approches existantes dans la littérature est réalisée. Après cette révision, un nouveau CBM basé dans l’optimisation MultiObjective pour l’écosystème microbien est développé. On s’attend à que l’ensemble des travaux développés dans la thèse pourrait servir à rapprocher les champs de l’écologie microbienne et la modélisation par contraintes. / Metabolic networks allows to the user the construction of detailed models using high resolution ‘omics datasets. In particular, Constrained Based Models (CBMs) are used to obtain quantitative predictions from metabolic models. CBMs have been successfully applied to a wide range of problems for the last 20 years to several aspects of microbial physiology. Main objective of present thesis is to use CBMs as a modeling technique in Microbial Ecology context. In particular, both metabolic network effects over the environment and effects of environmental variables over physiology are explored using CBMs. In the first section, applications of CBMs to single metabolic networks are explored. First a novel application of CBMs is used to study gene insertion such they are optimal to maximize the growth rate. Next, effects of environmental conditions in a chemostat culture in metabolic network are assed by classical CBMs approaches and contrasted with experimental observations. Finally, a new CBMs is developed to determinate environmental conditions such as they favor gene loose. Second section deals with interactions between multiple metabolic networks. The use of compartments to represent different microorganisms is first justified. Next, a revision of existent approaches in the literature is carried. After this revision, a new CBM based in MultiObjective Optimization for microbial ecosystem is developed. Set of works developed in present thesis is expected to help filling the gap between Microbial Ecology and Constraint Based Modeling.

Les travaux présentés dans ce mémoire traitent du problème de la modélisation des contraintes et de l'interaction système-utilisateurs pour la résolution de problèmes complexes et sur-contraints. La satisfaction des contraintes des décideurs constitue un élément fondamental dans tout processus de décision, contraint la marge de manœuvre du système et la qualité de la réponse pouvant être apportée au problème étudié. Cependant, il semble que cet aspect soit peu défini, manque de modélisation et de fondements génériques de traitement et de gestion. L'intérêt reste souvent porté sur la démarche et les techniques de résolution plutôt que sur la modélisation du problème lui-même. Ce travail se focalise sur ce besoin de modélisation. Nous proposons une nouvelle démarche interactive de progression dans la résolution des problèmes d'optimisation sous contraintes, notamment en intégrant les décideurs dans la définition de leurs contraintes et dans la prise de décision finale afin de les aider à décider au lieu de décider à leur place. L'approche développée a été appliquée pour l'optimisation des assolements dans la prévention des risques de ruissellement touchant les territoires agricoles. Les simulations ont été effectuées sur le territoire du Pays de Caux au nord-ouest de la France.

La programmation par contraintes est une technologie pour l'optimisation qui associe des langages de modélisation riches avec des moteurs de résolution efficaces. Elle combine des techniques de plusieurs domaines tels que l'intelligence artificielle, la programmation mathématique et la théorie des graphes. Un défi majeur dans ce domaine concerne la définition de langages de haut-niveau pour faciliter la phase de modélisation des problèmes. Un autre aspect important est de concevoir des architectures robustes pour transformer des modèles de haut-niveau et obtenir des modèles exécutables efficaces, tout en visant plusieurs moteurs de résolution. Répondre à ces deux préoccupations est très difficile, car de nombreux aspects doivent être pris en compte, comme par exemple, l'expressivité et le niveau d'abstraction du langage ainsi que les techniques utilisées pour traduire le modèle de haut-niveau dans chacun des langages de résolution. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle perspective pour faire face à ces défis. Nous introduisons une nouvelle architecture pour la programmation par contraintes dans laquelle le problème est défini comme un ensemble d'objets contraints dans un nouveau langage de modélisation haut-niveau. La transformation des modèles est réalisée à l'aide de l'ingénierie des modèles. Les éléments des langages sont alors considérés comme des concepts définis dans un modèle de modèles appelé métamodèle. Cette nouvelle architecture permet d'aborder les phases de modélisation et de transformation de modèles en raisonnant à un niveau d'abstraction supérieur et, par conséquent, de réduire la complexité inhérente à ces deux phases.

Les sécheurs connaissent des difficultés pour sécher les avivés d'épicéa de fortes épaisseurs avec les séchoirs industriels classiques. Notre étude a pour ambition d'améliorer les connaissances sur le séchage des avivés de résineux de fortes épaisseurs par une approche déterministe. Le code numérique TransPore, développé par Patrick Perré, de part sa capacité à simuler les transferts couplés de chaleur et de masse dans une planche de bois, est placé au cœur de notre approche. Notre démarche scientifique a nécessité la mise en place de deux outils : - un dispositif expérimental a été mis en place pour obtenir des informations descriptives sur les transferts de masse s'effectuant dans la planche au cours de son séchage, et sur les contraintes mécaniques engendrées par le séchage. Ce dispositif mesure en continu l'épaisseur des avivés, les fentes de surface, et le champ de teneur en eau dans la planche par atténuation de rayons X ; - une unité de calcul des contraintes de séchage a été développée et greffée à TransPore (version 1D) pour aborder l'aspect qualitatif du séchage. La formulation mécanique adoptée est monodimensionnelle, et elle prend en compte la courbure éventuelle de la planche pour, par exemple, simuler un séchage dissymétrique. Les résultats expérimentaux ont ensuite été confrontés aux résultats théoriques pour confirmer et valider les résultats prédits par la simulation numérique. La comparaison s'est avérée souvent très probante, tant au niveau des transferts couplés de chaleur et de masse qu'au niveau de l'évaluation des contraintes de séchage. Ce travail se termine par l'utilisation du code TransPore comme outil d'aide à la compréhension des mécanismes couplés qui rendent le séchage des fortes épaisseurs particulièrement difficile. Cet outil a montré également sa capacité à guider ses utilisateurs dans le développement de nouvelles conduites de séchage. Cette dernière application ouvre une voie prometteuse vers l'optimisation des tables de séchage.

Les traitements de surface mécaniques sont appliqués dans la plupart des secteurs industriels comme procédé de finition afin de renforcer les propriétés des composants métalliques. Le grenaillage de précontrainte est probablement l’un des plus répandu. Ce procédé introduit des contraintes résiduelles de compression en générant un gradient de déformation plastique dans la profondeur de la pièce traitée. L’objectif de ce travail est de comprendre et prédire l’effet de la géométrie des composants sur la redistribution des contraintes résiduelles post-grenaillage. En effet, même lorsqu’elle est maîtrisée, l’opération de grenaillage peut générer un champ de contraintes résiduelles complexe qui dépend fortement de la géométrie de la pièce. Par suite, parmi les paramètres influents sur le comportement en fatigue des composants grenaillés, le paramètre géométrique peut donc avoir un rôle majeur. Puisque les approches conventionnelles de modélisation ne sont pas transposables aux géométries non planes, et ne sont pas conformes aux contraintes industrielles en termes de temps de calcul, une méthodologie basée sur la Méthode de Reconstruction des Eigenstrains est proposée. L’approche développée est construite à partir de relations analytiques pour des massifs plans traités de façon homogène. La principale contribution est la comparaison entre modélisation et expérimentation. Les données expérimentales sont obtenues à partir d’analyses de la microstructure et par diffraction des rayons X réalisées sur des échantillons d’un superalliage base nickel, pour plusieurs géométries complexes élémentaires (plaques minces, formes convexes et concaves). Par ailleurs cette étude vise à prendre en compte l’effet des contraintes résiduelles équilibrées sur la durée de vie en fatigue. A partir du critère de fatigue multiaxial de Crossland, la méthodologie complète est appliquée à des démonstrateurs industriels à géométrie complexe. / Most manufacturing industries perform mechanical surface treatments at the end of the manufacturing chain to reinforce relevant working parts. Shot peening is probably the most common of those processes. This treatment induces compressive residual stresses by generating in-depth plastic strains. The objective of this work is to understand and predict the effect of the geometry on the redistribution of residual stresses into shot peened mechanical parts. Indeed, even when properly controlled, shot peening treatment may induce a complex residual stress field depending on the geometry of the treated part. Hence, among the variables which affect the fatigue behaviour of shot peened components, the geometry could play a major role. Because the traditional approaches for the modelling of residual stresses are not convenient for complex non-flat geometries and not consistent with industrial constraints in terms of computing time, a methodology based on the Eigenstrains Reconstruction Method is proposed. The developed approach is built with analytical relationships for massive and plane geometries homogeneously treated. The main contribution lies in the capacity to provide a comparison between modelling and experiment. Experimental data are obtained by microstructural observation and by X-ray diffraction analyses, which are carried out on Ni-based superalloy samples with elementary complex geometries (thin sheets, convex and concave shapes). In addition, this study aims to take into account the effect of the rebalanced residual stresses for fatigue life prediction. Thus, using a Crossland criterion for high cycle fatigue regime, the complete methodology is applied on industrial demonstrator samples with complex geometry.

La programmation par contraintes offre des langages et des outils permettant de résoudre des problèmes à forte combinatoire et à la complexité élevée tels que ceux qui existent en vérification de programmes. Dans cette thèse nous résolvons deux familles de problèmes de la vérification de programmes. Dans chaque cas de figure nous commençons par une étude formelle du problème avant de proposer des modèles en contraintes puis de réaliser des expérimentations. La première contribution concerne un langage réactif synchrone représentable par une algèbre de diagramme de blocs. Les programmes utilisent des flux infinis et modélisent des systèmes temps réel. Nous proposons un modèle en contraintes muni d’une nouvelle contrainte globale ainsi que ses algorithmes de filtrage inspirés de l’interprétation abstraite. Cette contrainte permet de calculer des sur-approximations des valeurs des flux des diagrammes de blocs. Nous évaluons notre processus de vérification sur le langage FAUST, qui est un langage dédié à la génération de flux audio. La seconde contribution concerne les systèmes probabilistes représentés par des chaînes de Markov à intervalles paramétrés, un formalisme de spécification qui étend les chaînes de Markov. Nous proposons des modèles en contraintes pour vérifier des propriétés qualitatives et quantitatives. Nos modèles dans le cas qualitatif améliorent l’état de l’art tandis que ceux dans le cas quantitatif sont les premiers proposés à ce jour. Nous avons implémenté nos modèles en contraintes en problèmes de programmation linéaire en nombres entiers et en problèmes de satisfaction modulo des théories. Les expériences sont réalisées à partir d’un jeu d’essais de la bibliothèque PRISM. / Constraint programming offers efficient languages andtools for solving combinatorial and computationally hard problems such as the ones proposed in program verification. In this thesis, we tackle two families of program verification problems using constraint programming.In both contexts, we first propose a formal evaluation of our contributions before realizing some experiments.The first contribution is about a synchronous reactive language, represented by a block-diagram algebra. Such programs operate on infinite streams and model real-time processes. We propose a constraint model together with a new global constraint. Our new filtering algorithm is inspired from Abstract Interpretation. It computes over-approximations of the infinite stream values computed by the block-diagrams. We evaluated our verification process on the FAUST language (a language for processing real-time audio streams) and we tested it on examples from the FAUST standard library. The second contribution considers probabilistic processes represented by Parametric Interval Markov Chains, a specification formalism that extends Markov Chains. We propose constraint models for checking qualitative and quantitative reachability properties. Our models for the qualitative case improve the state of the art models, while for the quantitative case our models are the first ones. We implemented and evaluated our verification constraint models as mixed integer linear programs and satisfiability modulo theory programs. Experiments have been realized on a PRISM based benchmark.