La propagation acoustique en milieu extérieur fait intervenir des phénomènes physiques complexes, liés essentiellement aux variations de température et de vent dans la couche limite atmosphérique et aux frontières du domaine (effet de l'impédance du sol, de la topographie, ...). De plus, dans le contexte des trains à grande vitesse (TGV), les sources de bruit sont étendues, en mouvement 'a une vitesse relativement élevée, et de nature diverse (bruit de roulement, bruit d'origine aérodynamique, ...). Ce travail de thèse a pour but de modéliser la propagation du bruit des TGV en milieu atmosphérique, et de comprendre les phénomènes physiques associés à ce type de propagation. La première partie de ce travail s'intéresse à l'effet de diffusion des fluctuations turbulentes de température et de vent sur les ondes acoustiques en présence d'une zone d'ombre acoustique. L'effet de diffusion d'une taille de structure turbulente donnée dépend de la fréquence acoustique et de la géométrie de propagation. Ce couplage entre échelles de turbulence, fréquence acoustique et géométrie est étudié à l'aide d'outils de la théorie de la propagation des ondes en milieu aléatoire et de simulations d'équation parabolique, afin d'estimer les plus petites et les plus grandes tailles de structure turbulente à prendre en compte dans une configuration donnée. Dans une deuxième partie, une méthode de résolution des équations d'Euler linéarisées par différences finies dans le domaine temporel est décrite. L'utilisation de schémas numériques optimisés permet d'appliquer ce modèle de propagation à des configurations de propagation acoustique longue distance. Une des principales difficultés rencontrées avec les modèles temporels de propagation est la prise en compte de la réflexion des acoustiques sur un sol d'impédance finie. Des conditions limites d'impédance performantes d'un point de vue numérique sont proposées pour des modèles d'impédance couramment employés dans les études de propagation en milieu extérieur. Ces conditions limites sont obtenues en approchant l'impédance par des fonctions-type particulières, ce qui permet d'utiliser la méthode de convolution récursive. Elles sont validées dans des configurations de propagation bi- et tridimensionnelle, en considérant une atmosphère homogène puis une atmosphère stratifiée. Enfin, les applications spécifiques au bruit des TGV sont présentées dans une troisième partie. Dans un premier temps, un modèle de propagation du bruit des TGV basé sur une décomposition du train en un ensemble de sources ponctuelles équivalentes est décrit. Les résultats de ce modèle sont comparés à des mesures réalisées à différentes distances de la voie de circulation en supposant les conditions de propagation homogènes. Le modèle de sources équivalentes est également couplé à un code d'équation parabolique afin de prendre en compte l'effet d'un profil vertical de température ou de vent. Dans un deuxième temps, les phases d'approche et d''éloignement de passages de TGV sont analysées afin de caractériser un phénomène de "grondement". Dans certaines circonstances, il est en effet possible d'entendre un bruit similaire à un passage d'avion une dizaine de secondes avant ou après un passage de TGV, bruit qualifié de "grondement". L'analyse s'appuie principalement sur des résultats expérimentaux, qui permettent de déterminer les caractéristiques du "grondement" et les circonstances dans lesquelles il se produit. Cette étude est complétée par des simulations d'équation parabolique qui montrent l'importance du vent dans l'apparition de ce phénomène.

En 2002, la régionalisation de l'action publique a franchi une étape importante avec le transfert aux Régions, à l'issue d'une expérimentation de cinq ans, d'une nouvelle compétence en matière de transports collectifs. Ce travail de doctorat tente de comprendre de quoi dépendent les usages régionaux de cette compétence et ce que ces usages traduisent en termes de recompositions de l'action publique. Reposant sur une analyse comparée de quatre régions (Alsace, Centre, Languedoc-Roussillon et Midi-Pyrénées), il s'attache à saisir l'action publique " au concret " à partir d'une combinaison d'approches empiriques et théoriques. Alors que l'étude des politiques de transport a été abandonnée depuis longtemps à d'autres disciplines (géographie et économie, notamment), la mobilisation d'une approche de science politique permet d'éclairer cet objet sous un jour nouveau. Le transport ferroviaire représente l'archétype même du secteur avec ses élites, son expertise et ses normes. Il constitue également un domaine où les réalisations ont une forte dimension spatiale, matérielle et technique. Ces spécificités impriment leur marque aux politiques régionales et soulèvent des questions concernant les rapports entre secteur et territoires, ainsi qu'entre technique et politique. En même temps, l'étude de la régionalisation des transports collectifs apporte des éléments substantiels à l'analyse de la Région et du pouvoir à cette échelle. Elle permet de dégager des pistes pour une approche renouvelée des politiques régionales.

Les systèmes complexes ferroviaires étant de plus en plus contraints par des autorités de décision placées à un haut niveau d'abstraction, il devient problématique d'imposer des critères à une autre échelle que fonctionnelle. Ainsi, dès lors que l'on descend plus bas, nous sommes confrontés à des spécificités des systèmes nationaux qui font perdre la généralité du travail des décisionnaires Européens. Le problème est qu'à chaque niveau d'abstraction, des méthodes d'évaluation du risque existent, mais sans être compatibles entre elles. Par ailleurs, la combinaison des couches et la vision fonctionnelle du système ne prennent pas en compte l'impact des fonctions les unes sur les autres, ni le lien entre le niveau global et les composants afin d'allouer la sécurité.Nous proposons donc une démarche harmonisée d'évaluation du risque, capable de répartir les contraintes définies au niveau fonctionnel abstrait sur les entités qui implémentent les systèmes avec leurs spécificités.Notre contribution est méthodologique. Elle part d'un modèle fonctionnel du système ferroviaire constitué en couches. Le but étant de représenter ce système sans dépendance entre les fonctions, il a fallu les traduire indépendamment des autres en faisant apparaître les entrées/sorties comme des places/transitions d'un réseau de Petri. A chaque couche de la décomposition correspond une classe de réseau de Petri. Ainsi, à la couche structurelle, nous associons les réseaux de Petri Temporels; à la couche fonctionnelle les réseaux de Petri stochastiques et à la couche logique les réseaux de Petri Prédicats Transitions

L'intégration récente des systèmes de communication numériques embarqués à bord des trains pour la gestion du trafic introduit de nouveaux problèmes de compatibilité électromagnétique dans le milieu ferroviaire, notamment, pour le système GSM-R « Global System for Mobile Communications - Railway» sur lequel se focalisent les travaux de la thèse. Ce système est un système numérique élaboré employant des protocoles de communication qui lui permettent de résister à certaines perturbations électromagnétiques. Ainsi, son immunité électromagnétique ne peut pas être étudiée selon les méthodes traditionnelles standardisées, puisqu'elles sont adaptées principalement à des systèmes analogiques. La thèse consiste à caractériser l'environnement EM ferroviaire d'une manière adaptée au contexte du système GSM-R. En effet, il faut préalablement connaitre les perturbations EM qu'il peut rencontrer à bord d'un train. Ainsi, nous avons exploité les méthodes fréquentielle et temporelle pour caractériser les perturbations EM que peut subir son signal utile sous des conditions normales d'opération. Les résultats obtenus ont montré que les perturbations EM transitoires qui apparaissent lors d'un mauvais contact entre la caténaire et le pantographe sont la source principale de perturbations EM pour le système GSM-R. Ainsi, nous avons étudié minutieusement leurs caractéristiques temporelles et d'amplitude à travers une étude statistique de chaque paramètre. Suite aux résultats obtenus, nous avons pu générer des signaux de test représentatifs de ce que peut voir le système GSM-R à bord d'un train avant d'exploiter ces signaux pour l'étude de l'immunité EM de ce système en laboratoire. Thèse encadrée à l'INRETS par DENIAU,V

En raison de problèmes opérationnels et d'autres événements inattendus, un grand nombre d'incidents se produisent quotidiennement dans les systèmes de transport ferroviaire. Certains d'entre eux ont un impact local, mais quelques fois, essentiellement dans les réseaux ferroviaires plus saturés, des petits incidents peuvent se propager à travers tout le réseau et perturber de manière significative les horaires des trains. Dans cette thèse doctorale, nous présentons le problème de réordonnancement de plan de circulation ferroviaire en cas d'incident comme la problématique de créer un plan de circulation provisoire de manière à minimiser les effets de la propagation des incidents. Ce travail est issu du projet MAGES (Module d'Aide à la Gestion des Sillons) qui développe des systèmes de régulation pour le trafic ferroviaire. Nous présentons deux modèles différents qui permettent de trouver des solutions à ce problème : Programmation Linéaire en Nombres Entiers (PLNE) et Programmation Par Contraintes (PPC). Du fait de la nature fortement combinatoire du problème et de la nécessité de répondre rapidement aux incidents, il ne paraît pas raisonnable d'envisager une résolution exacte. Les méthodes correctives proposées consistent donc à explorer un voisinage restreint des solutions : right-shift rescheduling; une méthode basée sur des coupes de proximité; une méthode d'analyse statistique de la propagation des incidents (SAPI) et un méthode basée sur la PPC. Additionnellement, certaines de ces méthodes ont été adaptées sous forme d'algorithmes itératifs avec l'objectif d'améliorer progressivement la solution quand le temps d'exécution le permet. SAPI est une des principales contributions de cette thèse. SAPI intègre les concepts de right-shift rescheduling avec les coupes de proximité. Du fait de la taille des réseaux en jeu et du nombre de circulations, les phénomènes complexes de propagation d'un incident font qu'il est très difficile de connaitre de manière précise les événements qui seront affectés. Toutefois, il est tout de même envisageable d'évaluer la probabilité qu'un événement soit affecté. Pour calculer cette probabilité, un modèle de régression logistique est utilisé avec des variables explicatives dérivées du réseau et des circulations. Diverses variantes de ces méthodes sont évaluées et comparées en utilisant deux réseaux ferroviaires localisés en France et au Chili. À partir des résultats obtenus, il est possible de conclure que SAPI est meilleure que les autres méthodes en terme de vitesse de convergence vers l'optimum pour les instances de petite taille et moyenne alors qu'une méthode coopérative PNLE/PPC est capable de trouver des solutions pour les instances de plus grande taille. La difficulté de comparer SAPI avec d'autres méthodes présentées dans la littérature nous a encouragés à appliquer la méthode à un autre problème. Ainsi, cette méthodologie a été également adaptée au problème de réordonnancement de passagers, vols et appareils (avions) en cas de perturbations, problème originalement proposé dans le contexte du Challenge ROADEF 2009. Les résultats montrent que SAPI est efficace pour résoudre ce problème avec des solutions au-dessus de la moyenne des équipes finalistes en obtenant la troisième place du challenge

Le développement de transport ferroviaire en milieu urbain ou non urbain, s'accompagne évidement d'une amélioration continue de la sécurité, qui reste une des préoccupations principales dans ce domaine de transport, où les accidents continuent à engendrer d'importants dégâts, et causer un nombre élevé de victimes. La maîtrise des risques du transport ferroviaire, implique d'une part l'identification et la prévision des risques, et d'autre part, la réduction de ces risques en agissant sur les moyens de diminution de leurs occurrences, leurs gravités, l'atténuation de leurs conséquences grâce à des moyens d'évitement et de protection contre les risques. Dans ce contexte, le présent travail de cette thèse vise à développer un outil d'évaluation et d'analyse des risques au niveau des Passages à Niveau du réseau ferroviaire de l'ONCF (Office National des Chemins de Fer) qui comporte 521 Passages à Niveau dont 80% environ ne sont pas gardés, ainsi que celui du réseau ferroviaire du Tramway à l'agglomération de Rabat/Salé, qui s'étend sur 20 km et dont l'insertion urbaine n'a pas été sans effet sur la ville, car les accidents entre le Tramway et les usagers de la route qu'ils soient des piétons ou des véhicules, continuent à avoir lieu et on enregistre une dizaine d'accidents par mois de différentes gravités. L'analyse des risques de ces deux systèmes est basée en premier lieu sur des études fonctionnelles et dysfonctionnelles de ces deux systèmes, puis en second lieu sur une modélisation des risques par Réseaux Bayésiens. En effet, l'approche Bayésienne dans l'évaluation des dysfonctionnements et la quantification des risques encourus, constitue une approche d'analyse permettant la prise en compte des aspects comportemental et temporel du système (événements liés aux facteurs humain ou matériel, événements aléatoires des accidents, conséquences non maîtrisées des accidents etc.). Ce modèle de risque proposé permet aussi d'établir une prévision des risques à partir des données recueillies du passé (Retour d'EXpériences).

Le crissement est un bruit strident fréquemment produit par les systèmes de freinage de tous les types de modes de transport (automobile, aéronautique, ferroviaire,...). Dans le domaine ferroviaire, les niveaux acoustiques liés au crissement peuvent dépasser les 110 dB à un mètre du bord du quai. Ceci constitue non seulement un inconfort, mais aussi un risque pour la santé des clients et du personnel en gare. De précédents travaux ont identifié les garnitures de frein comme levier potentiel pour diminuer le crissement. Le projet AcouFren, mené par la SNCF, vise à développer des outils d'aide à la conception et à la spécification de garnitures de frein ferroviaire peu crissantes. Cette thèse s'inscrit dans ce projet et propose une étude numérique et expérimentale du crissement des freins à disque ferroviaires et plus particulièrement de TGV. Elle comporte une partie expérimentale et des développements numériques visant à obtenir des simulations numériques fiables et rapides du crissement. L'étude expérimentale permet de montrer la richesse des phénomènes de crissement pouvant survenir lors d'un freinage et de montrer les écarts et les ressemblances qu'il peut y avoir entre un freinage d'arrêt et un freinage de maintien. À partir de ces constats, les attentes vis-à-vis de la modélisation numérique proposée sont données : il s'agit de pouvoir reproduire les phénomènes présents dans les freinages de maintien. Afin d'estimer les niveaux vibratoires, le choix d'une simulation temporelle non-linéaire transitoire et stationnaire est fait. Une fois la modélisation numérique choisie, une méthode de résolution fondée sur un lagrangien augmenté est mise en œuvre. Des paramètres de la méthode optimisés sont proposés et permettent de réduire significativement les coûts de calcul. Le temps nécessaire à des simulations de dynamique non-linéaire transitoire reste toutefois prohibitif sans réduction. Une proposition de réduction de Ritz utilisant les modes complexes du système est proposée. Cette approche est testée sur un modèle académique simple afin de pouvoir quantifier l'effet d'une réduction sur un modèle nonlinéaire déstabilisé par le frottement. Si la réduction est possible, de nombreux phénomènes qu'elle induit sont mis en évidence. Les seules bases de réduction permettant une reproduction fidèle du comportement dynamique non- linéaire transitoire et stationnaire du système sont celles comportant l'ensemble des modes complexes dans une gamme de fréquence ainsi que les modes statiques d'interface. Enfin, la stratégie numérique complète est testée sur un modèle simplifié de frein TGV. La méthode de réduction proposée permet de gagner un facteur 6 en temps de calcul par rapport au modèle non réduit. La confrontation à l'expérience montre un accord satisfaisant avec la simulation : les fréquences émergentes et les niveaux vibratoires sont correctement approchés.

Les réseaux ferroviaires sont sujets à des dégradations de leur voie qui impactent directement le service offert aux voyageurs. Des politiques de maintenance sont donc déployées pour en limiter les effets sur la qualité et la disponibilité du réseau. Ce mémoire propose une modélisation générique de ces politiques reposant sur la fiabilité, et ce à partir du seul formalisme des réseaux bayésiens (RB). La fiabilité du système est caractérisée par un RB dynamique particulier tenant compte des temps de séjour dans chacun de ses états (hypothèse semi-markovienne). Les outils de diagnostics et les actions et les actions de maintenance sont également modélisés, autorisant la description fine de stratégies complexes. La prise en compte de l'utilité de chaque attribut du modèle (disponibilité/sécurité/coût) permet l'évaluation des politiques de maintenance innovantes en particulier prévisionnelles. La méthodologie est appliquée au cas précis du réseau RER de la RATP relativement au problème du rail cassé.

Ce travail étudie l’applicabilité des méthodes d’identification aux paramètres de la suspension d’un modèle multi-corps du TGV. L’objectif est de caler le modèle par rapport au système réel par une estimation des paramètres de la suspension en utilisant la réponse du véhicule mesuré. A cause du comportement nonlinéaire du système la méthode temporelle de recalage a été choisie. Elle nécessite la définition et minimisation d’une fonction coût qui décrit la distance entre le modèle et la mesure. La convergence la plus rapide est obtenue avec des méthodes gradient qui demandent le calcul des dérivés de la fonction coût par rapport á chaque paramètre de la suspension. Comme le calcul par des différences finis est coûteux et moins précis la méthode adjoint a été implémentée. L’application à un modèle simplifié d’un bogie avec une description mathématique connue permet d’identifier les paramètres de la suspension. La présence des minima locaux dans la fonction coût du modèle TGV nécessite l’utilisation des méthodes globales. Le recuit simulé et l’algorithme génétique donnent des réductions importantes de la fonction coût et des estimations pour les paramètres du modèle TGV. Dans des travaux ultérieurs, ces informations pourraient être utilisées pour d’autre application comme le « condition monitoring ». / This work investigates the applicability of identification methods to the suspension parameters of a TGV multi-body model. The aim is to adjust the model to the real system by estimating the suspension parameters from measured vehicle response data. Due to the nonlinear behavior of the system the time-domain based model updating has been chosen. It requires the definition and minimization of a misfit function in the time domain describing the distance between model and measurement. The fastest convergence is obtained by the use of gradient methods requiring the calculation of the derivatives of the misfit function relative to every parameter. Since the calculation from finite differences is time consuming and less accurate the gradients are calculated from the adjoint method. The application to a simplified bogie model with known mathematical description allows the identification of its suspension parameters. The presence of local minima in the misfit function of the TGV model requires the use of global optimization methods. The simulated annealing and the genetic algorithm method give important reductions of the misfit function and improved parameter estimations. In following work this information could be used for further applications like the condition monitoring.

En raison de problèmes opérationnels et d’autres événements inattendus, un grand nombre d’incidents se produisent quotidiennement dans les systèmes de transport ferroviaire. Certains d’entre eux ont un impact local, mais quelques fois, essentiellement dans les réseaux ferroviaires plus saturés, des petits incidents peuvent se propager à travers tout le réseau et perturber de manière significative les horaires des trains. Dans cette thèse doctorale, nous présentons le problème de réordonnancement de plan de circulation ferroviaire en cas d’incident comme la problématique de créer un plan de circulation provisoire de manière à minimiser les effets de la propagation des incidents. Ce travail est issu du projet MAGES (Module d’Aide à la Gestion des Sillons) qui développe des systèmes de régulation pour le trafic ferroviaire. Nous présentons deux modèles différents qui permettent de trouver des solutions à ce problème : Programmation Linéaire en Nombres Entiers (PLNE) et Programmation Par Contraintes (PPC). Du fait de la nature fortement combinatoire du problème et de la nécessité de répondre rapidement aux incidents, il ne paraît pas raisonnable d’envisager une résolution exacte. Les méthodes correctives proposées consistent donc à explorer un voisinage restreint des solutions : right-shift rescheduling; une méthode basée sur des coupes de proximité; une méthode d’analyse statistique de la propagation des incidents (SAPI) et un méthode basée sur la PPC. Additionnellement, certaines de ces méthodes ont été adaptées sous forme d’algorithmes itératifs avec l’objectif d’améliorer progressivement la solution quand le temps d’exécution le permet. SAPI est une des principales contributions de cette thèse. SAPI intègre les concepts de right-shift rescheduling avec les coupes de proximité. Du fait de la taille des réseaux en jeu et du nombre de circulations, les phénomènes complexes de propagation d’un incident font qu’il est très difficile de connaitre de manière précise les événements qui seront affectés. Toutefois, il est tout de même envisageable d’évaluer la probabilité qu’un événement soit affecté. Pour calculer cette probabilité, un modèle de régression logistique est utilisé avec des variables explicatives dérivées du réseau et des circulations. Diverses variantes de ces méthodes sont évaluées et comparées en utilisant deux réseaux ferroviaires localisés en France et au Chili. À partir des résultats obtenus, il est possible de conclure que SAPI est meilleure que les autres méthodes en terme de vitesse de convergence vers l’optimum pour les instances de petite taille et moyenne alors qu’une méthode coopérative PNLE/PPC est capable de trouver des solutions pour les instances de plus grande taille. La difficulté de comparer SAPI avec d’autres méthodes présentées dans la littérature nous a encouragés à appliquer la méthode à un autre problème. Ainsi, cette méthodologie a été également adaptée au problème de réordonnancement de passagers, vols et appareils (avions) en cas de perturbations, problème originalement proposé dans le contexte du Challenge ROADEF 2009. Les résultats montrent que SAPI est efficace pour résoudre ce problème avec des solutions au-dessus de la moyenne des équipes finalistes en obtenant la troisième place du challenge / For operational and unpredictable reasons, many small incidents occur day after day in rail transportation systems. Most of them have a local impact; but, in some cases, minimal disruptions can spread out through the whole network and affect significantly the train schedules. In this Thesis, we present the Railway Rescheduling Problem (RRP) as the problem of finding a new schedule of trains after one or several incidents by minimizing some measure of the effect, e.g., the total delay. This Thesis has been developed in the context of the MAGES project that builds mathematical models and algorithms for optimizing railway operations. Two complementary formulations are proposed to model this problem: Mixed-Integer Programming (MIP) and Constraint Programming (CP). Because of the impossibility of solving real-world instances by using standard solvers, we propose several solutions methods: right-shift rescheduling; a MIP-based local search method; Statistical Analysis of Propagation of Incidents (SAPI); and a CP-based approach. Some methods are presented in different versions by extending them to iterative approaches. Among them; SAPI is one of the major contributions of this Thesis. It integrates the concepts of right-shift rescheduling and the MIP-based local search method by fixing integer variables and adding linear inequalities (cuts). SAPI assumes that the effects of disruptions can be propagated to other upcoming events. Nevertheless, this propagation is not uniform to all events and could be forecasted by a statistical analysis. Different versions of the methods are compared in two different networks located in France and Chile. From the results, it is possible to conclude that SAPI finds good solutions faster than the other methods, while a cooperative CP/MIP approach that takes advantage of both formulations seems to be appropriate for large instances. Because of the difficulty to compare SAPI to other methods presented in the literature due to lack of public benchmarks, we applied it to another problem where public instances are available. Hence, the methodology was adapted and applied to the problem of rescheduling passengers, flights, and aircraft under disrupted operations in the context of the ROADEF challenge 2009. SAPI took the third position on this competition, showing that the method seems to be effective solving such type of problems efficiently