Cette thèse porte sur l'optimisation de forme via la méthode des "level sets" pour deux comportements mécaniques induisant des déplacements non différentiables par rapport à la forme: le contact et la plasticité. Pour y remédier, nous utilisons des problèmes approchés issus de méthode de pénalisation et de régularisation.Dans la première partie, nous présentons quelques notions fondamentales d'optimisation de forme (chapitre 1). Puis nous exposons les résultats qui seront utiles à l'analyse des deux problèmes mécaniques considérés et nous illustrons ces résultats.La deuxième partie introduit les modèles statiques de contact (chapitre 3) et le modèle statique de plasticité (chapitre 4) que nous utilisons dans le manuscrit. Pour chacun, nous donnons les bases de la modélisation mécanique, une analyse mathématique des inéquations variationnelles associées et nous expliquons quels solveurs nous avons implémentés.La dernière partie se focalise sur l'optimisation de forme. Dans chacun des chapitres nous donnons les versions pénalisées et régularisées des modèles, prouvons, pour certains, leur convergence vers les modèles exactes, calculons leurs gradients de forme et proposons des exemples 2D et, en contact, 3D. Ainsi, dans le chapitre 5, traitons-nous du contact et considérons deux sortes de problèmes: le premier dans lequel la zone de contact est fixe, le second dans lequel la zone de contact est optimisable. Pour ce dernier, nous introduisons deux méthodes pour résoudre du contact sans discrétiser la zone de contact. Dans le chapitre 6, nous abordons le modèle de Hencky que nous approximons grâce à une pénalisation de Perzyna ainsi que grâce à un modèle de notre crue. / The main purpose of this thesis is to perform shape optimisation, in the framework of the level set method, for two mechanical behaviours inducing displacement which are not shape differentiable: contact and plasticity. To overcome this obstacle, we use approximate problems found by penalisation and regularisation.In the first part, we present some classical notions in optimal design (chapter 1). Then we give the mathematical results needed for the analysis of the two mechanical problems in consideration and illustrate these results.The second part is meant to introduce the five static contact models (chapter 3) and the static plasticity model (chapter 4) we use in the manuscript. For each chapter we provide the basis of the mechanical modeling, a mathematical analysis of the related variational inequations and, finally, explain how we implement the associated solvers.Eventually the last part, consisting of two chapters is devoted to shape optimisation. In each of them, we state the regularised versions of the models, prove, for some of them, the convergence to the exact ones, compute shape gradients and perform some numerical experiments in 2D and, for contact, in 3D. Thus, in chapter 5, we focus on contact and consider two types of optimal design problems: one with a fixed contact zone and another one with a mobile contact zone. For this last type, we introduce two ways to solve frictionless contact without meshing the contact zone. One of them is new and the other one has never been employed in this framework. In chapter 6, we deal with the Hencky model which we approximate thanks to a Perzyna penalised problem as well as a home-made one.

Les clients des missions de drones sont demandeurs de systèmes d'information et de décision dans lesquels l'humain joue un rôle clé avec sa capacité unique d'analyse. Nous avons présenté comme première contribution un référentiel des niveaux d'automatisation qui interroge systématiquement sur le rôle de l'humain, et ce en rupture avec les référentiels précédents. Nous avons proposé comme seconde contribution un système décisionnel qui laisse les systèmes automatisés être incertains quant à l'ordre de certaines options de telle sorte que l'opérateur/superviseur puisse trancher. Afin d'augmenter le ratio nombre de drones / nombre d'humains, nous avons restreint l'usage de la décision humaine à l'arbitrage des conflits entre objectifs majeurs. Nous avons finalement expérimenté le sacrifice d'objectifs mineurs pour donner plus de temps à ces arbitrages. En conclusion nous rappellerons les mérites de nos deux contributions. LOA4 est un référentiel des niveaux d'autonomie centré sur l'humain, attentif à l'adaptation et compatible avec UML/PACT. Le système décisionnel que nous proposons est également centré sur l'humain et lui permet de jouer - même avec parcimonie et parfois au prix du sacrifice d'objectifs mineurs - un rôle clé basé sur sa capacité unique d'analyse. / Humans are still vital after years of automation and the clients of UAV mission systems want to preserve the human user’s key role because human knowledge, experience and judgment provide unique capability to analyze safety risks and to think ahead in uncertain and novel situations. Our first contribution is LOA4, a set of tree levels of automation in four dimensions to assess human involvement in partially automated systems. Previous sets focus too much attention on the computer rather than on the collaboration between the computer and its operator/supervisor. Unlike previous sets, our set systematically assess human involvement: is there none; some sometime; or some anytime. Its simplicity allow to recursively assess the situation of automation of a system based on the situation of automation of its parts. These information can be part of an IHM to increase the situation awareness in real time. Our second contribution is a mission system in which automated systems decide to delegate some decisions to humans. In order to increase the ratio number of “uavs / number of humans”, decisions that are untrusted to humans are mostly both ambivalent and critical. Some minor goals may be discarded to provide humans with more time to make their decisions. We implemented our approach and we report some results.

Au cours de la production de l'aluminium via le procédé de Hall-Héroult, le bain gelé, obtenu par solidification du bain électrolytique, joue un rôle significatif dans le maintien de la stabilité de la cellule d'électrolyse. L'objectif de ce travail est le développement d'un modèle numérique bidimensionnel afin de prédire le profil du bain gelé dans le système biphasé bain liquide/bain gelé, et ce, en résolvant trois problèmes physiques couplés incluant le problème de changement de phase (problème de Stefan), la variation de la composition chimique du bain et le mouvement de ce dernier. Par souci de simplification, la composition chimique du bain est supposée comme étant un système binaire. La résolution de ces trois problèmes, caractérisés par le mouvement de l'interface entre les deux phases et les discontinuités qui ont lieu à l'interface, constitue un grand défi pour les méthodes de résolution conventionnelles, basées sur le principe de la continuité des variables. En conséquence, la méthode des éléments finis étendus (XFEM) est utilisée comme alternative afin de traiter les discontinuités locales inhérentes à chaque solution tandis que la méthode de la fonction de niveaux (level-set) est exploitée pour capturer, implicitement, l'évolution de l'interface entre les deux phases. Au cours du développement de ce modèle, les problématiques suivantes : 1) l'écoulement monophasique à densité variable 2) le problème de Stefan couplé au transport d'espèces chimiques dans un système binaire sans considération du phénomène de la convection et 3) le problème de Stefan et le mouvement du fluide qui en résulte sont investigués par le biais du couplage entre deux problèmes parmi les problèmes mentionnées ci-dessus. La pertinence et la précision de ces sous-modèles sont testées à travers des comparaisons avec des solutions analytiques ou des résultats obtenus via des méthodes numériques conventionnelles. Finalement, le modèle tenant en compte les trois physiques est appliqué à la simulation de certains scénarios de solidification/fusion du système bain liquide-bain gelé. Dans cette dernière application, le mouvement du bain, induit par la différence de densité entre les deux phases ou par la force de flottabilité due aux gradients de température et/ou de concentration, est décrit par le problème de Stokes. Ce modèle se caractérise par le couplage entre différentes physiques, notamment la variation de la densité du fluide et de la température de fusion en fonction de la concentration des espèces chimiques. En outre, la méthode XFEM démontre sa précision et sa flexibilité pour traiter différents types de discontinuité tout en considérant un maillage fixe. / During the Hall-Héroult process for smelting aluminium, the ledge formed by freezing the molten bath plays a significant role in maintaining the internal working condition of the cell at stable state. The present work aims at building a vertically two-dimensional numerical model to predict the ledge profile in the bath-ledge two-phase system through solving three interactive physical problems including the phase change problem (Stefan problem), the variation of bath composition and the bath motion. For the sake of simplicity, the molten bath is regarded as a binary system in chemical composition. Solving the three involved problems characterized by the free moving internal boundary and the presence of discontinuities at the free boundary is always a challenge to the conventional continuum-based methods. Therefore, as an alternative method, the extended finite element method (XFEM) is used to handle the local discontinuities in each solution space while the interface between phases is captured implicitly by the level set method. In the course of model building, the following subjects: 1) one-phase density driven flow 2) Stefan problem without convection mechanism in the binary system 3) Stefan problem with ensuing melt flow in pure material, are investigated by coupling each two of the problems mentioned above. The accuracy of the corresponding sub-models is verified by the analytical solutions or those obtained by the conventional methods. Finally, the model by coupling three physics is applied to simulate the freezing/melting of the bath-ledge system under certain scenarios. In the final application, the bath flow is described by Stokes equations and induced either by the density jump between different phases or by the buoyancy forces produced by the temperature or/and compositional gradients. The present model is characterized by the coupling of multiple physics, especially the liquid density and the melting point are dependent on the species concentration. XFEM also exhibits its accuracy and flexibility in dealing with different types of discontinuity based on a fixed mesh.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Les points quantiques colloïdaux (cQD) sont des nanocristaux semiconducteurs permettant, d'un point de vue fondamental, l'étude des effets du confinement quantique. L'étude de ces effets dans les cQD se fait généralement par spectroscopie optique. Les quasi-particules alors étudiées sont des excitons, chacun composé d'une paire électron-trou en interaction. Il est alors a priori impossible de sonder optiquement les niveaux énergétiques des électrons et des trous séparément. La spectroscopie par transport électrique permet d'accéder aux niveaux d'énergie des quasi-particules uniques. De plus, comparativement à la spectroscopie par effet tunnel, il est possible de contrôler la charge du cQD par blocage de Coulomb. Ceci ouvre la porte à des études sur l'effet de charges excédentaires sur les propriétés optiques de cQD par la combinaison de la spectroscopie optique et celle par transport. La spectroscopie par transport électrique d'un cQD peut être réalisée à l'aide d'un transistor à un électron composé d'un cQD unique [l]. Dans ce but, des échantillons possédant la structure à trois terminaux d'un transistor sont fabriqués sur des substrats de silicium sur lesquels une couche d'oxyde de silicium est présente. La source et le drain sont séparés d'une distance nanométrique, nommée nanogap, par gravure à l'aide d'un faisceau focalisé d'ions de gallium. Une grille locale, permettant le contrôle électrostatique du cQD, est située à environ 100 nm du nanogap, où le cQD est connecté. Les fuites de courant entre les terminaux des dispositifs sans cQD sont de l'ordre de 100 GQ, ce qui est suffisant pour permettre l'étude des cQD par transport électrique. Des mesures de transport à deux terminaux sont effectuées à température de la pièce après l'incorporation de cQD de CdSe et de CdSe/CdS à coquille épaisse d'environ 4.2 nm et 12.7 nm de diamètre respectivement. Les tensions de seuil à partir desquelles le courant circule dans le dispositif correspondent approximativement à celles prédites par un modèle de confinement quantique fini. De plus, les mesures de transport révèlent la présence de bruit télégraphique montrant de deux à trois paliers de courant avec des variations relatives aussi grandes que ±20% par rapport à la valeur moyenne du courant. Le bruit télégraphique en transport et le phénomène de clignotement observé en photoluminescence ont potentiellement comme origine commune la présence de charges capturées dans des états de pièges à la surface des cQD.

L'altimétrie radar a été initialement développée pour contribuer à l'étude de la dynamique des eaux océaniques. Elle a permis d'avoir des résultats significatifs sur les océans, en particulier à cause de leur vaste étendue et de leur homogénéité. Les succès obtenus sur les océans ont poussé plusieurs chercheurs à investiguer l'utilisation de l'altimétrie satellitaire pour la caractérisation des eaux et des surfaces continentales. Jusque-là, des résultats encourageants ont été rapportés par certaines études sur l'hydrologie des mers intérieures, des grands lacs et fleuves et des zones inondables. Dans cette thèse, nous évaluons l'apport de l'altimétrie satellitaire dans l'analyse des variations des niveaux d'eau dans le Delta Intérieur du fleuve Niger au Mali, en Afrique de l'Ouest. Classé parmi les sites de la Convention Ramsar sur les zones humides, le Delta intérieur joue un rôle de premier plan pour le Mali et l'ensemble de la sous-région, à la fois aux niveaux socio-économique et environnemental. Le Delta est caractérisé par une période de crue, pendant laquelle une superficie de plus de 20 000 km2 de terre reste inondée. L'eau se retire complètement pendant la période de décrue. Cette dynamique crue-décrue conditionne pratiquement l'ensemble des activités humaines dans la région et influence significativement les processus écologiques. D'où l'intérêt scientifique de mieux la comprendre. Cet intérêt est aussi justifié par la fragilité du Delta face aux changements climatiques et à la désertification. Les données d'altimétrie considérées dans l'étude proviennent des satellites Topex/Poseidon (1992-2005) et Envisat (2002-2009). Les données ont été corrigées des effets environnementaux. Afin de pouvoir élaborer des séries temporelles incluant les données provenant des deux satellites, nous avons analysé leur période de chevauchement (2002-2005). Cette analyse a révélé une bonne corrélation entre les deux séries de mesures (R[indice supérieur 2] = 0,76), et un biais systématique d'environ 89 cm. Les mesures Envisat ont alors été corrigées pour les ramener au même niveau que Topex/Poseidon, permettant ainsi de produire des séries temporelles sur 17 ans (1992-2009). Suite à cette analyse, nous proposons un algorithme de retraitement de forme d'onde qui intègre le coefficient de rétrodiffusion à l'échelle du temps de pénétration de l'onde dans un milieu en présence de végétation. L'idée ici c'est de tenir compte de l'hétérogénéité d'un milieu comme le Delta, qui peut être couvert de végétation. Pour cela, nous introduisons dans l'équation de la forme d'onde, le coefficient de rétrodiffusion estimé à partir du modèle dit des nuages d'eau, pour créer un nouvel algorithme appelé algorithme des nuages d'eau. Cet algorithme a été appliqué sur les données Envisat, mais également sur OSTM/Jason-2. Les résultats de l'algorithme ont été validés avec des mesures in situ de la Direction Nationale de l'Hydraulique du Mali et aussi avec des mesures acquises lors d'une campagne de terrain conduite entre août et octobre 2009. Les écarts observés sont généralement faibles (< [+ ou -] lm ). L'algorithme des nuages d'eau a été comparé à d'autres algorithmes existants. Il montre surtout une forte corrélation avec Ice-1 (R[indice supérieur 2] = 0,84). Finalement, nous analysons l'influence des précipitations sur les variations de niveaux d'eau obtenues. Trois sources de précipitations provenant de mesures satellitaires ou des réanalyses de modèles ont été considérées dans trois bassins d'alimentation (bassin du Fouta-Djalon en amont, bassin du Bani et le bassin intérieur au Mali). L'analyse révèle l'importance des précipitations, particulièrement dans le bassin du Fouta-Djalon. En effet, environ 70% des sites analysées [i.e. analysés] dans le Delta montrent une corrélation relativement forte (R[indice supérieur 2] > 0,40) avec les cumuls de précipitations dans les bassins considérés.

Nous abordons trois sujets concernant la physique des atomes. Le premier sujet présente une nouvelle méthode d'analyse de spectres X des ions d'argon, de soufre et de chlore très chargés (2 à 4 électrons), dans le cadre d'une expérience située à l'Institut Paul Scherrer utilisant un spectromètre à cristal courbe. Elle s'appuie sur la reproduction de l'expérience à l'aide d'une simulation basée sur le tracé de rayons, ce qui permet de reproduire le lien entre spectres et énergies de transitions. Nous expliquons comment l'agencement géométrique des rayons X réfléchis par le cristal donne lieu au raies de transitions détectées. Nous présentons les caractéristiques du spectromètre. Nous expliquons la méthode d'analyse ; nous démontrons que la prise en compte de la répartition d'intensité de la source est essentielle et nous établissons la liste des paramètres critiques entrant en jeu. Enfin, nous établissons la liste des résultats et les comparons aux autres valeurs expérimentales et aux valeurs théoriques. Le second sujet présente la mise en place sur une source à plasma située à Jussieu au Laboratoire Kastler Brossel d'un spectromètre à deux cristaux plans dans le but d'obtenir des valeurs absolues pour les transitions ayant lieu dans des ions très chargés. Nous expliquons le principe fondamental, nous abordons la question de l'analyse des données, nous détaillons ensuite les caractéristiques techniques en présentant les étapes de l'élaboration de ce spectromètre et enfin nous présentons les premiers résultats. Le dernier sujet porte sur les calculs de QED des niveaux d'énergies de l'hydrogène pionique, qui est un atome exotique constitué d'un proton et d'un pion. Le pion est de masse et de taille comparable à celle du proton, et de spin nul. C'est également un hadron, c'est-à-dire une particule capable d'interagir avec le proton via l'interaction forte. Nous expliquons comment la détermination théorique de la contribution électromagnétique aux niveaux d'énergies, associée aux résultats expérimentaux obtenus à l'institut Paul Scherrer permet de déduire les valeurs des longueurs de diffusions hadroniques, pour lesquelles les prévisions théoriques issues de différents points de vues sont en désaccord. Nous présentons ensuite les calculs où les particularités du système entrent en jeu et enfin nous illustrons l'influence de nos résultats sur les valeurs des longueurs de diffusions.

Les travaux présentés dans le cadre de cette habilitation à diriger des recherches portent essentiellement sur l'analyse de scènes à partir de caméras mobiles avec pour application immédiate l'apport d'une vision par ordinateur efficace dans les systèmes d'aide à la conduite. L'idée initiale est que l'autonomie d'un système implique, ne serait-ce que pour raisons énergétiques, une faible variété d'opérateurs de perception, dont les algorithmes de vision. Les "primitives" extraites des images seront intrinsèquement robustes et stables vis-à-vis de perturbations variées. Elles doivent de plus anticiper, voire faciliter, un processus de décision à divers niveaux voulu systématique. Les lignes de niveaux répondent parfaitement à ces contraintes : on vérifie sans peine leur robustesse et leur abondance dans une image suggère et alimente un processus de décision cumulatif (manipulant un objet unique : l'histogramme). Nos efforts se sont alors concentrés sur deux aspects : 1) le premier concerne la définition d'une méthodologie cohérente dans laquelle un processus primaire d'extraction de lignes de niveaux est enrichi afin de permettre la construction de primitives plus complexes guidée par le modèle de déformation de l'image. Le nombre de composants donc la forme des primitives est fonction directe du nombre de variables caractérisant le mouvement (déformation) à déterminer. 2) Le second intéresse une méthode de décision cumulative unifiée permettant de traiter des thèmes applicatifs de complexité croissante. Nos travaux se déclinent alors en trois niveaux de cumul, chacun associé de manière réconfortante à un stade de l'analyse d'images. 1) Au plus bas niveau, nous retenons l'information binaire apparition/disparition d'une primitive dans le temps. La complexité se situe strictement sur l'axe temporel. Le cumul dans le temps nous permet ainsi de reconstruire la scène fixe et donc par soustraction du fond, l'image des objets mobiles. Les espaces de vote sont 1D et multiples, affectés à chaque primitive. 2) Le consensus se voudrait spatio-temporel au deuxième niveau pour identifier le mouvement. Il restera d'abord spatial en pratique pour raisons de complexité : des primitives voisines dans l'image s'associent pour former des "pré-objets" contraints exhibant ainsi des invariants exploitables : leur mouvement à instancier doit être cohérent. Le cumul s'opère donc cette fois selon un modèle de mouvement de la caméra. Les primitives votent pour la transformation globale qui les aurait conduites dans leur nouvelle position. L'espace de vote est commun à toutes les primitives et multidimensionnel (une dimension par paramètre de mouvement). 3) Au niveau le plus élevé, la sémantique accrue implique des hypothèses à la fois sur les primitives et sur l'origine du mouvement. Les primitives sont supposées appartenir à un même objet 3D (ex. un plan) présentant, pour un modèle de déplacement du capteur donné, une propriété caractéristique commune des vecteurs vitesse qui permet de l'extraire. Notamment, leurs amplitudes sont constantes le long de courbes image prédéfinies par leurs équations analytiques. Les primitives ne votent plus selon leur structure mais selon leur vitesse. Dans le cas d'une scène 3D approximée par un ensemble de plans et d'une caméra à mouvement majoritairement longitudinal, l'espace de vote (c-velocité) présente 2 dimensions : une pour la vitesse, l'autre pour le paramètre des courbes iso-vitesse. Chaque vitesse vote sur sa courbe. Les surfaces 3D émergent dans cet espace de vote comme courbes 2D connues (droites ou paraboles). Les thèmes applicatifs traités pour illustrer notre démarche sont de complexité croissante : détection et estimation du mouvement en caméra fixe, recalage d'images en caméra mobile (type de mouvement connu et profondeur des objets contrainte) puis estimation générale du mouvement propre et de la structure de la scène en caméras embarquées sur un véhicule mobile. Les résultats obtenus montrent comment un choix de primitives robustes associé à un processus de décision cumulatif permet la réutilisation des opérateurs dans tous les secteurs. Les systèmes proposés ont la particularité d'être compacts et cohérents, propriété recherchée dans les applications considérées.

L'objectif principal de notre travail est de reproduire l'évolution de la distribution de la population d'une ville. Le parti pris est de privilégier une vision synthétique de la ville. Notre approche se fonde sur une modélisation de l'interaction entre un niveau intermédiaire (constitué par des groupes sociaux et des types d'habitat) et un niveau individuel (constitué par des ménages et des logements). Pour représenter l'évolution de la population de la ville et du parc du logement à la différence des approches classiques de microsimulation, nous privilégions une approche globale : nous considérons des règles générales d'évolution basées sur des quotas de ménages et de logements. À partir de ces principes, nous avons développé un modèle de simulation multi-agent basé sur la concurrence entre groupes sociaux pour des groupes de logements libres, dans un marché du logement. Nous avons utilisé ce modèle pour reproduire l'évolution de la distribution de la ville de Bogota entre 1973 et 1993.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

A travers l'observation des services publics de base, cette thèse s'intéresse à la réorganisation des pouvoirs politiques et techniques consécutive à la mise en place de la réforme de décentralisation. En Inde, cette question a déjà fait l'objet de plusieurs études de cas en zone rurales et dans les villes métropolitaines. L'objet de ce travail est de compléter ce corpus en le replaçant dans le contexte différencié des petites villes indiennes. Celles-ci ont jusqu'ici peu interpellé l'attention des chercheurs et des planificateurs. Ce désintérêt traduit un biais dans la manière de penser l'urbanisation indienne où la « ville » désigne avant tout des agglomérations métropolitaines, considérées comme les moteurs de la croissance économique, aux dépens du reste de l'Inde urbaine. Pourtant, une part importante de la population urbaine vit aujourd'hui dans ce type de villes et est donc tout autant concernée par les changements introduits par les nouvelles politiques urbaines issues de la décentralisation. Dans le cadre de ce travail doctoral, une enquête a été menée à travers quatre petites villes de 20000 habitants sélectionnées à l'est de l'Uttar Pradesh en interrogeant les hommes politiques, les ingénieurs et les habitants. La recherche empirique s'est appliquée à analyser la formation des gouvernements locaux avec une perspective multi-niveaux pour comprendre les transformations institutionnelles depuis la réforme. Les résultats de l'étude permettent d'obtenir une image du processus d'émergence des municipalités dans les petites villes / This Ph.D research aims to analyse the new political and technical arrangements in small towns governance, especially regarding the management of publics basic services, since decentralisation reforms in India. Various research projects have dealt with these subjects in rural areas and large metropolises but little attention has been paid to the same issues in smaller urban settlements. Yet more than half of the urban population in India lives in these towns. There has been a bias within Indian urban studies against small towns, because the idea of “urban” has always designated large urban settlements. This scientific disinterest translates into a more characteristic way of thinking about the urbanization process and resource allocation in India where big cities have been glorified as part of “Shining India”, while at the same time forgetting the rest of urban India. For this thesis, a sample survey has been conducted in a few selected towns comprising around 20,000 inhabitants in eastern Uttar Pradesh. The fieldwork has focused on urban local bodies and interviews has been conducted conducted with political leaders, government officials appointed at different levels (local, regional and state) and other actors such as engineers. Other interviews have been conducted with citizens as users to verify the information collected on effective service delivery and to understand what their relationships are with elected public servants and service providers. The results of the study gives a good view of the institutional building process consequent to decentralisation reform and the municipality emergence in small towns