La tendance actuelle des équipements électriques ferroviaires est une concentration de matériels dans des volumes de plus en plus faibles et pour des puissances de plus en plus élevées. Ce progrès est permis par des composants à fort rendement (IGBT) qui ont la caractéristique de générer des pertes harmoniques importantes dans les composants magnétiques, provoquant du bruit à forte composante tonale. En conséquence, les cahiers des charges deviennent de plus en plus drastiques et augmente la difficulté de conception optimale des transformateurs. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’intégrer les différents phénomènes tels que la thermique, le bruit ou les effets de la PWM. Cette thèse porte plus précisément sur le dimensionnement optimal des transformateurs et inductances présent dans les convertisseurs auxiliaires ferroviaires. L’intérêt de la mise en place une boucle d’optimisation sur un modèle multi-physique est montrée. Pour cela il est important de développer des modèles comportent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision. Dans cette thèse seule les composants magnétiques refroidis par une ventilation forcée sont étudiés. Un modèle thermique 3D semi-analytique couplé avec un modèle électromagnétique est utilisé. Le choix de l’optimiseur s’est porté sur l’algorithme NSGA-II permettant d’effectuer des optimisations multi-objectifs (poids et pertes) en incluant des contraintes thermiques. Pour finir une étude de sensibilité est effectuée grâce à une méthode de plan d’expérience afin de juger de la robustesse des solutions optimales / Nowadays, power converters in railway domain are more and more compact and powerful. This progress is due to the use of fast efficient components, working at high frequency like IGBT. But this evolution generates many harmonics losses in different components as inductors or transformers, and complicates their design. In addition, for the design stage, acoustics comfort is an increasingly important factor. Hence, it is necessary to develop multi-physic models in order to integrate different phenomena as the PWM effects, the temperature, and the noise. These models are coupled to an optimization tool in order to define the design rules of passive components: inductors or transformers coupled with inductor for the railway applicationIt’s necessary to develop fast models with a good compromise between the accuracy of field calculations. In this thesis, only transformers and inductors with an air forced cooling are studied. A 3D thermal model based on a nodal network linked to electromagnetic model is used. In order to optimize this structure, NSGA-II algorithm is chosen. Some global optimizations, with respect to several objectives (weight and losses), including thermal constraint are finally presented. Experimental design method is applied to know how these response functions behave in the neighborhood of the optimal point

Le développement et l’application des langages formels sont un défi à long terme pour la science informatique. Un enjeu particulier est l’acceptation par l’industrie. Cette thèse présente une approche pour la modélisation et la vérification des postes d’aiguillage français. La première question est la modélisation du système d’enclenchement par les réseaux de Petri colorés (RdPC). Un cadre de modélisation générique et compact est introduit, dans lequel les règles d’enclenchement sont modélisées dans une structure hiérarchique, tandis que les installations sont modélisées dans une perspective géographique. Ensuite, un patron de modèle est présenté. C’est un modèle paramétré qui intègre les règles nationales françaises qui peut être appliquée pour différentes gares. Puis, un concept basé sur l’événement est présenté dans le processus de modélisation des parties basses des postes d’aiguillage. La deuxième question est la transformation des RdPCs en machines B, qui va aider les concepteurs sur la route de l’analyse à application. Tout d’abord, une méthodologie détaillée, s’appuyant sur une table de correspondance, du RdPCs non-hiérarchiques vers les notations B est présentée. Ensuite, la hiérarchie et la priorité des transitions du RdPC sont successivement intégrées dans le processus de mapping, afin d’enrichir les possibilités de types de modèles en entrées de la transformation. Les machines B produites par la transformation permettent la preuve automatique intégrale par l’Atelier B. L’ensemble de ces travaux, chacun à leur niveau, contribuent à renforcer l’efficacité d’un cadre global d’analyse sécuritaire / Development and application of formal languages are a long-standing challenge within the computer science domain. One particular challenge is the acceptance of industry. This thesis presents some model-based methodologies for modelling and verification of the French railway interlocking systems (RIS). The first issue is the modellization of interlocking system by coloured Petri nets (CPNs). A generic and compact modelling framework is introduced, in which the interlocking rules are modelled in a hierarchical structure while the railway layout is modelled in a geographical perspective. Then, a modelling pattern is presented, which is a parameterized model respecting the French national rules. It is a reusable solution that can be applied in different stations. Then, an event-based concept is brought into the modelling process of low-level part of RIS to better describe internal interactions of relay-based logic. The second issue is the transformation of coloured Petri nets into B machines, which can help designers on the way from analysis to implementation. Firstly, a detailed mapping methodology from non-hierarchical CPNs to abstract B machine notations is presented. Then the hierarchy and the transition priority of CPNs are successively integrated into the mapping process, in order to enrich the adaptability of the transformation. This transformation is compatible with various types of colour sets and the transformed B machines can be automatically proved by Atelier B. All these works at different levels contribute towards a global safe analysis framework

Dans plusieurs pays européens, la capacité de l’infrastructure est complètement exploitée aux heures de pointe et aux points critiques : une grande quantité de trains traversent ces points critiques dans un laps de temps très réduit. Dans cette situation le retard d’un train provoqué par un conflit de circulation peut se propager dans tout le réseau. Le problème de la gestion opérationnelle du trafic ferroviaire consiste à trouver les modifications des itinéraires et des ordonnancements des trains qui minimisent la propagation des retards. Dans cette thèse, nous proposons une approche de décomposition de Benders pour la formulation linéaire en nombres entiers à variables mixtes utilisée dans l’algorithme RECIFE-MILP. Après avoir constaté que l’approche de décomposition standard de Benders ne permet pas de trouver rapidement une solution de bonne qualité pour certaines instances du problème, nous étudions trois approches alternatives afin d’améliorer la performance de notre algorithme. Nous proposons d’abord une approche que nous appelons la reformulation réduite de Benders. Ensuite, nous introduisons des inégalités dans la formulation du problème maître de Benders. Finalement, nous scindons le processus de résolution en trois étapes au lieu de deux comme dans la décomposition standard de Benders. L'analyse expérimentale montre que la combinaison de la première et dernière approche surpasse l’algorithme original RECIFE-MILP dans la résolution de grandes instances sous certaines conditions. / In railway systems, during congested traffic situations, the infrastructure capacity is completely exploited for trains circulation. In these situations, when traffic is perturbed some trains must be stopped or slowed down for ensuring safety, and delays occur. The real-time Railway Traffic Management Problem (rtRTMP) is the problem of modifying trains route and schedule to limit delay propagation. In this thesis, we propose a Benders decomposition of a MILP-based algorithm for this problem, named RECIFE-MILP. After observing that the standard Benders decomposition (BD) does not allow the effective solution of rtRTMP instances, we study three possible approaches to improve the performance. Specifically, we first propose a modification of the problem reformulation which is typical of BD, obtaining what we call reduced BD. Then, we introduce some inequalities to the Benders master problem. Finally, we split the solution process in three steps rather than two as in the standard BD. As we show in a thorough experimental analysis, the combination of the first and last approaches outperforms the original RECIFE-MILP algorithm when tackling large instances with some specific features.

Les Systèmes de Systèmes (SdSs) sont des grands systèmes dont les composants sont eux-mêmes des systèmes qui interagissent en vue de la réalisation de certaines fonctions, et pour lesquels le dysfonctionnement d'un seul système peut avoir des conséquences graves sur le fonctionnement du SdS entier. Il est donc important que la conception de ces SdSs tienne compte des exigences de Sûreté de Fonctionnement (SdF) et notamment de leur fiabilité et leur disponibilité quand ils sont sollicités. Par ailleurs, il est nécessaire qu'elle s'assure, par le biais d'analyses quantitatives, du respect de ces exigences. L'incertitude est également une partie importante de la thèse, parce qu'il y a toujours des différences entre un système et sa représentation par un modèle. L’objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie de conception sûre des SdSs. Il s'agit dans un premier temps de proposer un modèle dysfonctionnel du SdS global intégrant les aspects matériels, les aspects réseaux ainsi que le facteur humain. Dans un second temps, il s'agit d'évaluer des exigences de SdF. Dans un troisième temps, il s'agit de prendre en compte de différents types d'incertitudes dans les modèles. Concernant la partie applicative, le sujet s'articulerait autour de la conception sûre d'un système ferroviaire. La contribution principale de cette thèse réside dans trois aspects. Premièrement, on propose une méthodologie générale pour modéliser des SdSs. Deuxièmement, on considère l'ERTMS Niveau 2 comme un SdS et évalue ses exigences de SdF en tenant compte de l'indisponibilité du SdS comme une propriété émergente. Troisièmement, on modélise quantitativement différents types d'incertitudes dans les modèles proposés en utilisant les théories probabilistes et non probabilistes. / Systems of Systems (SoS) are large systems whose components are themselves systems which interact to realize a common goal, and for which the malfunction of a single system can have some serious consequences on the performance of the whole SoS. So it’s important that the design of these SoSs takes into account the dependability requirements of safety standard. In this thesis, our interests concern the modeling of SoS and the reliability analysis of SoS under uncertainty which is due to the lack of knowledge related to failure data and model. Therefore, two modeling methods which deal with different issues are applied to model SoSs and the corresponding quantitative reliability analysis is proposed. The objective of this thesis is to propose graphical models for dependability assessment and risk analysis of SoSs under uncertainty. Firstly, it will propose a dysfunctional model of the ERTMS which is considered as an SoS. The model will integrate the hardware aspect, the network aspect and the human factors. Then, it will evaluate some dependability attributes of the whole SoS. Later, it will take different kinds of uncertainties into account quantitatively. The proposed methodology is applied on the ERTMS Level 2. The main contribution of this thesis lies in three aspects. First, we propose a methodology to model and evaluate SoSs. Second, we consider ERTMS Level 2 as an SoS and seek to evaluate its dependability parameters by considering the unavailability of the whole SoS as an emergent property. Third, we model quantitatively different kinds of uncertainties in the proposed models.

La promotion du transport ferroviaire de marchandises permet d’améliorer l’impact environnemental du transport de marchandises, à travers la réduction de la part modale de la route, qui est responsable d’environ un quart des émissions européennes de CO2. L’objet de cette thèse est d’analyser les flux de marchandises afin de proposer des solutions opérationnelles qui permettraient d’augmenter la part de marché du transport de fret ferroviaire, notamment grâce à une meilleure utilisation des terminaux intermodaux. La première partie de la thèse fournit une synthèse des principales modèles théoriques concernant l’analyse de la demande et de l’offre de transport de marchandises, afin d’analyser le lien entre activité économique et transport de marchandises. Une analyse détaillée des sources statistiques disponibles au niveau européen, national et régional, est aussi fournie. Dans la deuxième partie, une application au cas des chantiers de transbordement rail-route en France est présentée, et une comparaison avec d’autres pays européens est réalisée. L’objectif de cette analyse est d’estimer la demande potentielle de transport combiné, d’évaluer la productivité des terminaux intermodaux et d’étudier l’impact socio-économique et financier des investissements dans les terminaux intermodaux, en évaluant également la possibilité des nouveaux montages financiers (PPP). Les résultats de l’analyse montrent un large potentiel pour le transport combiné, en particulier en lien avec l’activité des ports maritimes, et une productivité faible dans les terminaux existants. En conséquence, cette analyse suggèrerait de concentrer les investissements sur un nombre limité de sites à haut potentiel, afin d’attirer des investissements privés et optimiser l’utilisation des fonds publics. Les implications politiques de cette analyse sont multiples : elles concernent d’abord le gestionnaire d’infrastructure et les opérateurs ferroviaires, qui doivent mieux planifier les investissements en fonction de la demande commerciale. Elles concernent aussi l’Etat et les collectivités locales, qui doivent optimiser l’utilisation des fonds publics en favorisant les localisations à haut potentiel. / The promotion of railway modal share has large benefits on the environment by reducing the modal share of road transport, which is responsible for about one-fourth of European CO2 emissions. The aim of this dissertation is to analyse freight transport flows in order to provide operational solutions to increase the modal share of railways transport through a better use of intermodal terminals. In the first part of the dissertation a theoretical survey of freight transport models is provided, in order to show the linkage between freight transport and economic activities. A comprehensive analysis of data sources at European, national and regional levels is also provided. In the second part of the dissertation an application to the case of railway intermodal terminals in France is provided, with some comparisons to other European countries. The scope of the analysis is to estimate the potential demand of combined transport, to assess the productivity of intermodal terminals and to evaluate the socio-economic and financial impact of new investments in terminals, also through new project financing schemes (PPPs). The results show a large potential for railway intermodal transport, especially in connection with maritime ports, and low productivity in existing terminals. As a consequence it’s fundamental to concentrate new investments in a few high potential locations, in order to attract private investments and to provide a better use of public funds. The policy implications of this analysis are multiple: it concerns first the railway companies and the infrastructure managers, which should better plan their investments according to commercial needs. It concerns also governments and regional authorities which should better concentrate public funds on optimal terminal locations.

Le présent travail porte sur le comportement des plates-formes ferroviaires anciennes en France. Tout d'abord, une étude statistique a été menée sur les problèmes survenus dans l'ensemble du réseau ferroviaire français. L'analyse montre l'importance particulière de la qualité du sol support pour la performance de la sous-structure et pour la tenue géométrique des voies. Ensuite, une ligne ferroviaire ancienne située à l'Ouest de la France a été étudiée spécifiquement. Les analyses montrent que la vitesse de dégradation de cette ligne est en corrélation avec les différents paramètres tels que la nature de sol support, l'épaisseur des couches de la sous-structure. Une tendance d'augmentation de la vitesse de dégradation avec la diminution de l'épaisseur de la couche intermédiaire est identifiée. Cette couche as un impact positif puisqu'elle réduit les contraintes appliquées au sol support. Le comportement hydromécanique du sol de la couche intermédiaire dans des conditions différentes (teneur en eau, teneur en particules fines, charge, nombre de cycles) a été étudié. Des essais triaxiaux et des essais de colonne d'infiltration ont été réalisés à cette fin. En analysant les propriétés de résistance au cisaillement, la déformation axiale permanente et le module réversible, on a constaté que les effets de la teneur en eau et de la teneur en fines doivent être pris en compte ensemble. Une augmentation de teneur en fines dans la couche intermédiaire présente un impact positif à l'état non saturé grâce à l'effet de la succion, mais un impact négatif à l'état saturé. Les essais de colonne d'infiltration avec des cycles de séchage/humidification ont montré que la conductivité hydraulique du sol est gouvernée par la fraction de fines et qu'elle ne change pas significativement avec la teneur en fines. Afin d'étudier les mécanismes de la création de la couche intermédiaire et de remontée boueuse, un modèle physique de 550 mm de diamètre intérieur a été développé. Des échantillons de sol qui représentent la sous-structure ferroviaire ancienne avec une couche de ballast posée sur une couche de limon artificielle (mélange de sable concassé et du kaolin) ont été testés. Les effets des charges monotones et cycliques, de la teneur en eau et de la masse volumique sèche du sol support ont été étudiés. Il a été constaté que la pression interstitielle développée dans le sol support et la rigidité du sol support sont des facteurs clés pour la migration des particules fines ou la création de la couche intermédiaire/la remontée boueuse. L'eau est la condition nécessaire, mais c'est la compressibilité du sol support qui gouverne le phénomène à se produire / The present work deals with the behavior of ancient railway sub-structure in France. A statistical study was firstly undertaken on problems occurred in the whole ancient French railway network. The analysis evidenced the particular importance of sub-grade quality for the performance of the sub-structure and the track geometry. Afterwards, an ancient railway line in the West of France was investigated. The analysis showed that the degradation speed of this line was correlated with different parameters such as the nature of sub-grades and the thickness of different layers. An increase trend of degradation speed with the increase in interlayer thickness was identified. The interlayer has a positive impact since it reduces the train-induced stress applied to the sub-grade. The hydro-mechanical behavior of interlayer soil under different conditions (water content, fines content, stress, number of cycles) was investigated. A set of triaxial tests and infiltration tests were performed for this purpose. By analyzing the shear strength properties, the permanent axial strain and the resilient modulus of interlayer soil, we found that the water content and the fines content must be considered together. Adding more fines into the interlayer presents a positive impact under unsaturated conditions thanks to the suction effect, but a negative impact under saturated conditions. The infiltration column tests with drying/wetting cycles showed that the hydraulic conductivity of interlayer soil is governed by fines fraction but did not change significantly with fines content. In order to study the mechanism of interlayer creation and mud pumping, a physical model of 550 mm inner diameter was developed. Soil samples representing the ancient French railway substructure with a ballast layer overlying an artificial silt layer (mixture of crushed sand and kaolin were tested. The effects of monotonic and cyclic loadings, water content and dry unit mass of sub-soil were investigated. It was found that the pore water pressure developed in the sub-soil and the sub-soil stiffness are the key factors for the migration of fine particles or the creation of interlayer/mud pumping. Water is the necessary condition, but it is the soil compressibility that governs the phenomenon to occur

Cette thèse étudie le comportement de remblais en sol renforcé lors du passage de trains par simulation numérique. Il s'agit de déterminer si les trains à grande vitesse ont un impact particulier sur ce type d'ouvrage. Après un état de l'art des remblais en sol renforcé et de la modélisation numérique de problèmes ferroviaires, les résultats du chargement harmonique d'un remblai expérimental en Terre Armée sont analysés. Ils montrent que les valeurs des tractions dans les armatures, des contraintes et déplacements dans le massif dépendent de la fréquence de la sollicitation, c'est-à-dire de la vitesse de passage du train. On construit un modèle 3D aux éléments finis pour reproduire cette expérience. Il permet de retrouver les valeurs expérimentales avec une bonne précision, en mettant en avant l'importance du choix des lois de comportement du sol, du parement et des armatures. Ce modèle avec ses paramètres est alors utilisé pour discuter du comportement local de l'interface armature/remblai au cours d'un chargement harmonique en régime établi. Le confinement varie beaucoup le long des armatures supérieures au cours du chargement dynamique, tandis que les tractions sont peu affectées par le chargement dynamique. Cependant, malgré ces variations au cours du temps, la stabilité de l'interface reste peu affectée par rapport au cas d'un chargement statique. Un second modèle a été développé pour représenter un remblai de taille plus importante, en utilisant la modélisation multiphasique et en utilisant un repère mobile pour prendre en compte le déplacement du train. Les aspects théoriques et l'implémentation de ce modèle dans le code CESAR-LCPC sont détaillés. On l'utilise pour effectuer une étude tri-dimensionnelle d'un remblai renforcé. Elle met en évidence la faible influence de la vitesse de la charge sur la réponse de l'ouvrage, dans le cas d'un remblai rigide ayant des caractéristiques tirées du remblai expérimental. Dans le cas d'un remblai moins rigide, la vitesse d'un TGV peut s'approcher de la vitesse des ondes de cisaillement dans le massif avec des conséquences significatives au sein de la structure. Finalement, les valeurs expérimentales et les deux modèles numériques développés présentent les mêmes tendances : l'effet dynamique du passage du train a pour conséquence une augmentation des déplacements et une variation du confinement des armatures, tandis que les niveaux de traction sont peu affectés par la charge, ce qui nous incite à conclure que la vitesse du train n'est pas significativement pénalisante sur la stabilité des remblais pour les paramètres issus de l'analyse du remblai expérimental. Toutefois, ces résultats dépendent fortement de la géométrie de la structure, de la façon de modéliser le train, des lois de comportement et des valeurs des paramètres retenus pour le sol, le parement et l'interface sol/armature / This study focuses on the numerical modeling of the Mechanically Stabilized Earth (MSE) walls behavior under High Speed Train (HST) loading. First, the state of the art in reinforced earth as well as in railway dynamics modeling is analyzed. Then we present results coming from the testing of a one-scale reinforced embankment submitted to harmonic loading. They indicate that tensile forces in reinforcements, stresses and displacements depend on loading frequency which is related to train speed. One proposes a 3D Finite Element Model (FEM) in order to numerically reproduce this experimentation. The numerical results fit reasonably well with the experimental ones, highlighting the great importance of the choice of the constitutive law for the soil, reinforcement and facing. The same model is used to locally investigate the soil/reinforcement interface behaviour during a harmonic loading in steady-state. The confining pressure presents significant variations along the reinforcement strip during the dynamic loading while tensile forces are less affected by the load. Nevertheless, the global interface stability remains acceptable compared to a static load. A second numerical model is proposed, which represents a bigger embankment. The multiphase model is used to represent the reinforced soil and moving coordinates are used to take into account the moving train. Theoretical developments of this model and its implementation into CESAR-LCPC FEM code are detailed. The results indicate that the train speed does not play a big role in the overall response of the structure, in the case of a stiff reinforcement comparable to the experimental one. If the embankment is weaker, the HST speed may be close to shear waves speed within the soil, which has significant consequences into the structure, particularly on the stability of the soil/reinforcement interface. Globally the experimental results and those coming from both numerical models present the same trends: the dynamic effect coming from the train passing leads to the in-crease of displacements and confining pressure close to the highest strips, while tensile forces are less affected by the load. This leads us to the conclusion that the train speed does not have a significant effect on the stability of MSE walls, at least for embankments having similar parameters than the experimental one. However these results strongly depend on the embankment geometry, the way to model the train and the parameters and constitutive laws chosen for the soil, the soil/reinforcement interface and the facing

Les voies ferrées, construites pour la plupart depuis plus d'une centaine d'années, sont des ouvrages vieillissants. Elles nécessitent une maintenance et un entretien accrus, ce qui constitue un enjeu technique et économique majeur pour les années à venir. Jusqu'à l'ouverture des marchés à la concurrence, la mise en œuvre des voies nouvelles était vérifiée empiriquement par la SNCF. Du fait de la mise en œuvre de la directive européenne 91/440/10, l'exploitant historique se tourne d'un objectif de moyen vers un objectif de résultat. Cela nécessite donc de disposer de méthodes d'auscultation non destructives, permettant de vérifier que le compactage du ballast est correctement réalisé, avant de faire circuler le trafic voyageurs, en vue de garantir un niveau de sécurité élevé. Cette première approche pourrait être poursuivie pour assurer une auscultation à grand rendement. Cependant, les méthodes existantes permettant d'obtenir l'état de compactage du ballast à la mise en œuvre sont ponctuelles et difficiles à mettre en place; elles ne répondent pas à la problématique de doublement de la maintenance des voies des prochaines années. L'étude de la propagation d'ondes vibratoires dans le ballast est une alternative à ces méthodes qui peut permettre de répondre à ces contraintes. Le ballast est un milieu discontinu complexe pour la compréhension des ondes car elles se propagent dans un chaînon de force. Il présente une grande difficulté dans la modélisation du fait de la taille élevée des éléments et doit être traité comme un milieu discret ne répondant pas à une mécanique élastique de milieu continu. Étant donné la difficulté de modéliser cette couche discrète, il convient de traiter le problème par l'expérimentation. L'objectif de cette thèse est donc d'orienter la recherche vers l'utilisation de la propagation des ondes vibratoires dans la structure de la voie. Ce mémoire est organisé comme suit :- un premier chapitre détaille la structure de la voie ferrée et le matériau granulaire qu'est le ballast, ainsi que les méthodes de diagnostic des voies ferrées existantes.- le deuxième chapitre décrit les différents types d'ondes vibratoires se propageant dans un milieu élastique homogène, puis dans le ballast, et étudie la réponse du ballast à travers celle de la traverse ferroviaire.- Ces deux chapitres, issus de l'état de l'art, permettent de définir dans le chapitre trois les expérimentations réalisées dans le cadre de ce travail sur une structure ferroviaire en vraie grandeur : mise en œuvre, instrumentation, résultats. Ce chapitre s'attache particulièrement à décrire la vitesse des ondes et leur amortissement dans le ballast, les courbes de dispersion mesurées.- Enfin, la propagation d'une onde vibratoire dans le ballast est étudiée dans le chapitre quatre par le biais d'une simulation numérique, avec la comparaison de deux modélisations discrète et continue avec l'expérimentation / Railways, most of them built for over one hundred years, are old structures. They require increasing maintenance, a major technical and economic challenge for the coming years. Until the opening of markets to competition, the implementation of new railroads was empirically controlled by SNCF. Because of the application of the European directive 91/440/10, the historical operator turns from a goal of means to a goal of results. This calls for non-destructive highly efficient auscultation methods to check the right compaction of the ballast. However, existing methods for obtain ballast compaction assessment during implementation stage are surface-limited and difficult to apply; they do not respond to the issue of the doubling of track maintenance. Thus the study of the propagation waves in the ballast is an alternative to these methods and may allow to answer these requirements. The ballast is a discontinuous medium, complex for the understanding of waves, as they propagate in a force link. Modelling ballast is especially difficult because of the large size of its components and because it should be treated as a discrete environment, not following the elastic mechanics of continuous media. Given the difficulty to model this discrete layer, it is necessary to undertake the problem with experimentation. The aim of this thesis is to focus on the use of the propagation of vibration waves in the railroad structure. This work is organized as follows : the first chapter details the structure of the railroad and the ballast as a granular material, and the existing assessment methods for railroad. The second chapter describes the different types of vibration waves that propagate, first, in an elastic homogeneous medium, second in the ballast, and presents the answer of ballast through the answer of the sleeper. The two previous chapters, derived from the state of the art, allow to define in chapter three the experiments implemented as part of this work on a full scale railroad structure : realization, instrumentation, results. This chapter especially endeavours to describe the waves celerity, their damping in ballast and the measured dispersion curves. Finally, the propagation of a vibration wave in the ballast is studied in chapter four and a numerical simulation, compares with a disctete model and a continuous model with experimental results

Le moteur de traction ferroviaire est destiné à fonctionner dans de larges gammes de couple/vitesse. L'objectif principal de cette thèse est de développer des méthodes de conception par optimisation de machines électriques pour la traction ferroviaire avec la prise en compte des cycles (missions). Puis, d'incorporer ces méthodes dans un outil informatique. Après une prise en main des modèles électromagnétiques existants et leur transfert dans le langage Matlab, des modèles thermiques transitoires ont été établis et validés par rapport aux mesures expérimentales. À partir de là, la problématique des temps de simulations prohibitifs sur cycles a été mise en évidence et des solutions de réduction de cycles ont été proposées et validées sur les différents types de cycle. Enfin, une approche de conception par optimisation en deux niveaux a été développée. Le premier niveau concerne les variables continues et le second gère les variables discrètes. / The rail traction motor is designed to operate in wide range of torque/speed performance. The main aims of this thesis is to develop methods of designing by optimization electric machines over railway driving cycle. Then, to implement these methods in a usable software. Firstly, existing electromagnetic models were transferred to Matlab and two thermal models were developed and validated by experimental measurements. The use of accurate models for the optimization over à driving cycle is highly time consuming so, after identification of this constraint, some solutions to reduce this time without losing the accuracy were proposed and validated. Finally, multi-level optimization approach has been developed for electric machine design to solve mixed integer problem. This approach takes into account the driving cycle by using the methods of cycle reduction developed during this thesis.

Après avoir accompagné la révolution industrielle au XIXe siècle, le transport ferroviaire ne parvient que difficilement à s’adapter aux défis que lui a lancés la route depuis une centaine d’années. Depuis le début du XXe siècle, le rôle des chemins de fer dans le transport des marchandises et de voyageurs n’a cessé de décliner. Dans les pays de l’Union Européenne, il n’assure plus désormais que 6 % du transport de voyageurs et 16 % du transport de marchandises. Le renouveau du transport ferroviaire européen est aussi marqué par le développement du train à grande vitesse. Le trafic total de voyageurs « grande vitesse » est de 15 milliards de voyageurs-km en 1990 contre 111 milliards de voyageurs-km en 2014 soit une croissance globale de 740 %. La Part du trafic total de voyageurs « grande vitesse » a progressé, elle est passée de 4 % en 1990 contre 25 % en 2014. Le constat évident est que, depuis le début des années 1990, les chemins de fer ont perdu des parts de marché et ont donc exigé des subventions croissantes. La nécessité d’améliorer cette situation a conduit à imaginer un large éventail de possibilités d’action de la part des pouvoirs publics nationaux et européens. Depuis le début des années 90, la Commission Européenne s’est engagée dans un vaste chantier dont la finalité est la construction d’un espace ferroviaire intégré. Dans un contexte de marasme ferroviaire européen, nous voulons apprécier les performances des chemins de fer afin d’identifier les principaux facteurs qui permettront d’éviter le déclin. Nous partons de l’idée que les chemins de fer se doivent d’être performants sur le plan de la production et de la commercialisation des biens et services. Chacun des quatre chapitres de cette thèse utilise diverses méthodes pour contribuer au champ croissant de l’économie du transport ferroviaire. Le premier chapitre utilise les mesures partielles des indicateurs de productivité pour évaluer la performance d’un panel de quatre compagnies ferroviaires européennes, la DB en Allemagne, la SNCF en France, la RENFE en Espagne et les FS en Italie, observées entre 1990 et 2012. Notre objectif ici est double, dresser un bilan de la situation actuelle et révéler la trajectoire des entreprises ferroviaires européennes majeures sur une période débutant un peu avant les réformes ferroviaires initiées par la Commission européenne. Les indicateurs retenus nous ont permis d’évaluer quatre domaines de performance : la performance productive, la performance commerciale, la performance économique et la performance financière. Il est question pour nous d’évaluer l’efficacité de la directive 91-440 du 29 juillet 1991 relative au développement de chemins de fer communautaires, directive qui recommande de promouvoir l’indépendance de gestion des entreprises ferroviaires, ainsi que leur assainissement financier, en particulier leur désendettement. Le deuxième chapitre aborde le cadre théorique de l’efficacité technique, en passant en une revue les fondements théoriques et en présentant la méthodologie des frontières. Pour compléter cette analyse, nous proposons une revue de littérature non exhaustive des études empiriques portant sur l’évaluation des performances des chemins de fer. Le troisième chapitre propose des contributions empiriques à la mesure des performances des chemins de fer. Il est question pour nous d’évaluer, de comparer et d’expliquer les écarts de performances de certains pays de l’union européenne. Quatre indicateurs de performance ont retenu notre attention : l’efficacité productive, l’efficacité commerciale, l’efficacité technique et la variation de la productivité totale des facteurs. Pour ce faire nous avons simultanément estimé trois frontières paramétriques et stochastiques, à savoir, une frontière de production orientée input, une frontière de consommation et une frontière d’efficacité technique orientée input.... / After having accompanied the industrial revolution in the 19th century, rail transport difficultly adapt to the challenges launched by the road since a hundred years. Nowadays, European rail transport suffers from competition from the road, both for travellers and cargo. Since the beginning of the 20th century, the role of the railways in the goods and passengers transport has been declining. In the countries of the European Union, it now does ensure only 6% of passenger transport and 16% of goods transport. The European rail transport renewal is also marked by the development of the high-speed train. Total passenger "high speed" traffic is 15 billion passenger-km in 1990 against 111 billion passenger-km in 2014, that is an overall growth of 740%. The share of total passenger "high speed" traffic has increased from 4% in 1990 to 25% in 2014.The obvious observation is that, since the beginning of the 1990s, the railways have lost market share and therefore required growing subsidies.The need to improve this situation led to imagine a wide range of possibilities for action by national and European public authorities. Since the beginning of the 1990s, the European Commission is engaged in a vast reform aiming at the construction of an integrated railway area.In a context of European rail slump, we want to appreciate the performance of the railways in order to identify the main factors that will avoid the decline. We start from the idea that railways must be efficient in terms of production and commercialization of services.Each of the four chapters of this thesis uses various methods to contribute to the growing field of the rail transport.The first chapter uses the partial measures of productivity indicators to evaluate the performance of a panel of four European railway companies, the DB in Germany, SNCF in France, the RENFE in Spain and FS in Italy, observed between 1990 and 2012. Our aim here is twofold, to take stock of the current situation and reveal the path of major European rail companies on a period starting a little before the railway reforms initiated by the European Commission. These indicators help us to evaluate four areas of performance: productive performance, business performance, economic performance and financial performance. It is for us the opportunity to evaluate the efficiency of the directive 91-440 of 29 July 1991 relating to the development of Community railways, directive that recommends to promote the independence of management of railway companies, as well as their financial clean-up, especially their deleveraging. The second chapter shows the theoretical framework of technical efficiency, by a review of the theoretical foundations and by presenting the methodology of the borders. To complete this analysis, we propose a review of non-exhaustive literature of empirical studies on the evaluation of the performance of the railways. The third chapter suggests empirical contributions to the measurement of the performance of the railways. It is for us the opportunity to evaluate, compare and explain the differences in performance of some countries of the European union. Four performance indicators have caught our attention: productive efficiency, trade efficiency, technical efficiency and the variation of the total factor productivity. To this end, we simultaneously estimated three parametric and stochastic borders, namely, a production-oriented input border, a border of consumption and a border of technical efficiency-oriented input......