Le déploiement d'un marché de l'hydrogène énergie est une problématique récente, envisagée par les instances gouvernementales, les industriels et les scientifiques, afin de satisfaire des objectifs mondiaux de réduction d'émissions de gaz à effet de serre et pour assurer une sécurité d'approvisionnement énergétique des pays. Dans ce contexte, le problème d'optimisation de la planification du déploiement à 2050 de la chaîne logistique de l'hydrogène pour le marché des carburants à l'échelle d'un pays, a fait l'objet de notre étude. Nous avons pu nous appuyer sur l'entreprise Air Liquide, son expérience et ses experts en production et en distribution de l'hydrogène industriel, afin de construire une approche du problème satisfaisant les exigences d'un contexte industriel.<br />Après avoir défini et caractérisé le problème d'optimisation à travers une analyse systémique de l'infrastructure de distribution, nous avons proposé une méthode adaptée à sa résolution. Des simulations de Monte Carlo nous ayant permis d'élaborer des fonctions de coût par surfaces de réponse, nous avons alors élaboré une heuristique pour l'optimisation approchée de ces fonctions de coût. Notre approche a nécessité la définition de règles de simulation, d'un plan d'expérience et d'une méthode de régression, ainsi que d'un algorithme heuristique adapté à la structure du problème. La spécification, le développement et l'utilisation d'outils logiciels a permis de valider la méthodologie choisie pour l'optimisation du problème incertain traité dans notre étude. L'élaboration de scénarios d'évolution a permis de créer un contexte de référence permettant de valider le modèle et d'apporter des éléments d'analyse pour de premières études de déploiement.

Dans le domaine d'optimisation de forme de structures, la réduction des coûts et l'amélioration des produits sont des défis permanents à relever. Pour ce faire, le procédé de mise en forme doit être optimisé. Optimiser le procédé revient alors à résoudre un problème d'optimisation. Généralement ce problème est un problème d'optimisation multicritère très coûteux en terme de temps de calcul, où on cherche à minimiser plusieurs fonctions coût en présence d'un certain nombre de contraintes. Pour résoudre ce type de problème, on a développé un algorithme robuste, efficace et fiable. Cet algorithme, consiste à coupler un algorithme de capture de front de Pareto (NBI ou NNCM) avec un métamodèle (RBF), c'est-à-dire des approximations des résultats des simulations coûteuses. D'après l'ensemble des résultats obtenus par cette approche, il est intéressant de souligner que la capture de front de Pareto génère un ensemble des solutions non dominées. Pour savoir lesquelles choisir, le cas échéant, il est nécessaire de faire appel à des algorithmes de sélection, comme par exemple Nash et Kalai-Smorodinsky. Ces deux approches, issues de la théorie des jeux, ont été utilisées pour notre travail. L'ensemble des algorithmes sont validés sur deux cas industriels proposés par notre partenaire industriel. Le premier concerne un modèle 2D du fond de la canette (elasto-plasticité) et le second est un modèle 3D de la traverse (élasticité linéaire). Les résultats obtenus confirment l'efficacité de nos algorithmes développés.

Les systèmes embarqués tels que les téléphones portables ou les lecteurs multimédia intègrent de plus en plus de fonctions consommatrices d'énergie ce qui a pour conséquence directe une diminution de leurs autonomies. Les applications audio dans les téléphones cellulaires et en particulier l'application casque font partie des fonctions les plus consommatrices d'énergie. Après un état de l'art des solutions permettant l'amplification de signaux audio, l'amplificateur de classe G à été identifié comme étant le meilleur candidat pour obtenir une amélioration du rendement tout en fournissant une bonne qualité de reproduction sonore. Nos travaux se sont plus particulièrement focalisés sur la détection d'enveloppe de ces architectures qui est un facteur clé dans la maximisation du rendement. Une étude des propriétés temporelles, fréquentielles et statistiques des signaux présents en entrée de l'amplificateur a ainsi été menée pour mettre en évidence les différences entre les signaux classiquement utilisés (signal sinusoïdal) et les signaux réellement écoutés par les utilisateurs (musique). Après avoir effectué une sélection de signaux pour la suite de notre étude, nous avons également caractérisé la puissance correspondant à des conditions normales d'écoute afin d'obtenir par la suite un environnement de test proche des conditions réelles de fonctionnement. Un modèle simplifié et rapide d'amplificateur hybride permettant d'obtenir en quelques dizaines de secondes, l'évaluation du rendement, de la consommation et de la qualité sonore dans des conditions réelles de fonctionnement a été développé. Notre modèle, entièrement configurable et réadaptable à d'autres types de circuits a été validé par mesures pratiques des performances d'un amplificateur existant. Les paramètres de la détection d'enveloppe de ce modèle ont fait l'objet d'une optimisation basée sur le couplage séquentiel de deux algorithmes d'optimisation, permettant ainsi dans un temps limité d'obtenir une solution optimale sans solution de départ sous des conditions réelles d'utilisation. La suite de notre étude nous a conduit à étudier, modéliser, optimiser et comparer des amplificateurs de classe G possédant un nombre de tensions d'alimentation supérieur (3, 4) ainsi que des amplificateurs de classe H (alimentations continues) afin d'améliorer encore le rendement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle détection d'enveloppe permettant d'améliorer le rendement à faible puissance. Cette nouvelle détection d'enveloppe permet à l'amplificateur de classe G un fonctionnement en " multi niveau " et d'être auto adaptatif au signal audio présent en entrée de l'amplificateur. Après avoir développé des méta-modèles pour optimiser les paramètres de la détection d'enveloppe, cette détection d'enveloppe a été implémentée au niveau transistor en technologie 0.25μm de ST Microelectronics.

Le manuscrit de cette Habilitation à Diriger des Recherches reprend quelques thèmes de mon parcours de recherche depuis 10 ans, et que l'on peut résumer ainsi. De la conception radio classique pendant ma thèse (à base d'ASIC) j'ai vécu la transition vers la conception radio logicielle (dans un laboratoire de recherche d'un grand groupe industriel) et enfin j'étends désormais en parallèle mes travaux vers la conception radio intelligente (dans un laboratoire de recherche académique). Cinq travaux sont repris dans ce mémoire, portant sur la radio logicielle et la radio intelligente. Ils correspondent à cinq des thèses que j'ai encadrées. Ils portent tout d'abord sur la contribution à une approche de conception pragmatique pour la radio logicielle orientée composants. La radio logicielle en effet implique l'utilisation de ressources de traitements multiples et hétérogènes, générant ainsi des difficultés de conception non encore résolues dans leur ensemble par la communauté de l'architecture. L'un des principes repose sur l'indifférence qu'il doit y avoir entre traitements logiciels et matériels, quel que soit leur niveau de reconfigurabilité. Un effort de formalisation de la conception radio logicielle est proposé dans un deuxième temps, dans une approche orientée opérateurs communs. L'idée repose sur la description à différents niveaux de granularité des opérateurs de traitement du signal afin de bénéficier de la réutilisation de motifs de calcul. Le travail d'optimisation consiste à sélectionner le niveau de granularité adéquate suivant les besoins du concepteur. La gestion de reconfiguration, qui est un point central si ce n'est le point distinctif de la radio logicielle est le cœur du troisième travail présenté. Sa généralisation à la radio intelligente permet d'aboutir dans un quatrième cas d'étude à la proposition d'une architecture de gestion radio intelligente : HDCRAM. Une modélisation de cette architecture est proposée sous la forme d'un méta-modèle exécutable. Cela permet notamment de disposer d'un simulateur de scénarios du comportement de l'architecture de gestion d'une radio intelligente et de pouvoir la dimensionner pour chaque scénario. Enfin la dernière étude porte sur la définition du concept de bulle sensorielle radio intelligente qui porte particulièrement sur l'ensemble des capteurs d'un équipement de radio intelligente. Les perspectives de ces travaux sont notamment d'étudier le troisième et dernier élément du cercle cognitif simplifié (après la reconfiguration et les capteurs) qu'est la prise de décision.

L’objectif de cette thèse est de proposer des approches innovantes de conception préliminaire d’actionneurs embarqués. Cette démarche répond à un besoin fort de l’industrie,en particulier en aéronautique. Dans un premier temps, une méthode hybride de génération d’architectures solutions et de sélection vis-à-vis des exigences du cahier des charges et de l’état de l’art technologique est proposée. Dans un deuxième temps, une étude de l’effet de l’incertitude sur les modèles de conception préliminaire a été réalisée. Une troisième partie a démontré l’intérêt de lier les approches et les outils de modélisation 0D/1D et 3D afin de permettre l’accélération des phases de conception et afin de mieux remonter la connaissance liée à la géométrie. Enfin, une méthode utilisant les métamodèles basées sur les lois d’échelle visant à l’obtention de formes mathématiques simples pour le besoin de dimensionnent des composants mécatroniques a été développée / The objective of this thesis is to propose an innovative approaches for embedded actuators preliminary design. This approach responds to a strong need for the industry, particularly in aeronautics. As a first step, a hybrid method of architectures generation and selection depending on the specifications and the technological state of the art is proposed. In a second step, a study of the effect of uncertainty in preliminary design models was completed. A third part demonstrated the value of combining modeling approaches tools 0D/1D and 3D to enable the design phases acceleration and to have better knowledge related to the geometry. Finally, a method using meta-models based on scaling laws for obtaining simple mathematical forms needed for sizing mechatronic components has been developed

Les études des scénarios électronucléaires modélisent le fonctionnement d’un parcnucléaire sur une période de temps donnée. Elles permettent la comparaison de différentesoptions d’évolution du parc nucléaire et de gestion des matières du cycle, depuis l’extraction duminerai jusqu’au stockage ultime des déchets, en se basant sur des critères tels que les puis-sances installées par filière, les inventaires et les flux, en cycle et aux déchets. Les incertitudessur les données nucléaires et les hypothèses de scénarios (caractéristiques des combustibles, desréacteurs et des usines) se propagent le long des chaînes isotopiques lors des calculs d’évolutionet au cours de l’historique du scénario, limitant la précision des résultats obtenus. L’objetdu présent travail est de développer, implémenter et utiliser une méthodologie stochastiquede propagation d’incertitudes dans les études de scénario. La méthode retenue repose sur ledéveloppement de métamodèles de calculs d’irradiation, permettant de diminuer le temps decalcul des études de scénarios et de prendre en compte des perturbations des paramètres ducalcul, et la fabrication de modèles d’équivalence permettant de tenir compte des perturbationsdes sections efficaces lors du calcul de teneur du combustible neuf. La méthodologie de calculde propagation d’incertitudes est ensuite appliquée à différents scénarios électronucléairesd’intérêt, considérant différentes options d’évolution du parc REP français avec le déploiementde RNR. / Nuclear scenario studies model nuclear fleet over a given period. They enablethe comparison of different options for the reactor fleet evolution, and the management ofthe future fuel cycle materials, from mining to disposal, based on criteria such as installedcapacity per reactor technology, mass inventories and flows, in the fuel cycle and in the waste.Uncertainties associated with nuclear data and scenario parameters (fuel, reactors and facilitiescharacteristics) propagate along the isotopic chains in depletion calculations, and throughoutthe scenario history, which reduces the precision of the results. The aim of this work isto develop, implement and use a stochastic uncertainty propagation methodology adaptedto scenario studies. The method chosen is based on development of depletion computationsurrogate models, which reduce the scenario studies computation time, and whose parametersinclude perturbations of the depletion model; and fabrication of equivalence model which takeinto account cross-sections perturbations for computation of fresh fuel enrichment. Then theuncertainty propagation methodology is applied to different scenarios of interest, consideringdifferent options of evolution for the French PWR fleet with SFR deployment.

Les pays industrialisés cherchent aujourd’hui à réduire leur consommation d'énergie et à utiliser des matières premières de substitution, notamment renouvelables dont le bois fait partie. Pour promouvoir son usage, le développement de méthodes favorisant son recours dans les systèmes constructifs pour la construction multiétage est nécessaire.La conception d’un bâtiment est multicritère. Des objectifs contradictoires sont à optimiser simultanément. Des solutions de compromis Pareto-optimaux sont par exemple recherchées entre l’atteinte des meilleures performances d’usage et la limitation de l’impact environnemental du bâtiment. Ces travaux portent ainsi sur le développement d’une méthode d’optimisation multiobjectif de systèmes constructifs bois adaptés au multiétage.Des objectifs de maximisation du confort vibratoire des planchers et de minimisation des besoins de chauffage, d’inconfort thermique, de potentiel de réchauffement climatique et d’énergie grise sont pris en compte. La méthode repose sur un algorithme d’optimisation multiobjectif par essaim particulaire capable de proposer un ensemble de solutions non-dominées constituant le front de Pareto. L’espace des solutions est contraint par des exigences réglementaires nécessaires à la sécurité de l’ouvrage. L’ensemble des fonctions-objectif est modélisé sous forme de fonctions analytiques. Les sorties d’intérêt du modèle de simulation thermique dynamique sont substituées par des métamodèles.La méthode développée est mise en oeuvre sur un cas d’étude. Les résultats obtenus offrent une grande diversité dans un panel de 20 000 solutions optimales. Ces résultats constituent un support de discussion entre les différents acteurs d’un projet de construction. / Industrialised countries are seeking to reduce their energy consumption and to use alternative raw materials, including renewables such as wood. To promote its use, multi-storey timber constructive systems need the development of new design methods.Building required a multicriteria design where conflicting objectives must be optimised simultaneously. Research solutions have to achieve the best Pareto-compromise between use performance and environmental impact of the building. This work aims to develop a multiobjective optimisation method of timber multi-storey building.The objectives of maximising floor vibration comfort and minimising heating needs, thermal discomfort, global warming potential and embodied energy are taken into account. A multi-objective particle swarm optimization algorithm is used to obtain a set of non-dominated solutions which is the Pareto front. The solution space is constrained by regulatory requirements necessary for the safety of the structure. All objective-functions are modelled as analytic functions. Dynamic thermal simulation model outputs are replaced by metamodels.The developed method is implemented on a case study. The results offer a great diversity in a panel of 20 000 optimal solutions. These results provide a basis for discussion between the different actors of a construction project.

La conception de lanceurs est un problème d’optimisation multidisciplinaire dont l’objectif est de trouverl’architecture du lanceur qui garantit une performance optimale tout en assurant un niveau de fiabilité requis.En vue de l’obtention de la solution optimale, les phases d’avant-projet sont cruciales pour le processus deconception et se caractérisent par la présence d’incertitudes dues aux phénomènes physiques impliqués etaux méconnaissances existantes sur les modèles employés. Cette thèse s’intéresse aux méthodes d’analyse et d’optimisation multidisciplinaire en présence d’incertitudes afin d’améliorer le processus de conception de lanceurs. Trois sujets complémentaires sont abordés. Tout d’abord, deux nouvelles formulations du problème de conception ont été proposées afin d’améliorer la prise en compte des interactions disciplinaires. Ensuite, deux nouvelles méthodes d’analyse de fiabilité, permettant de tenir compte d’incertitudes de natures variées, ont été proposées, impliquant des techniques d’échantillonnage préférentiel et des modèles de substitution. Enfin, une nouvelle technique de gestion des contraintes pour l’algorithme d’optimisation ”Covariance Matrix Adaptation - Evolutionary Strategy” a été développée, visant à assurer la faisabilité de la solution optimale. Les approches développées ont été comparées aux techniques proposées dans la littérature sur des cas tests d’analyse et de conception de lanceurs. Les résultats montrent que les approches proposées permettent d’améliorer l’efficacité du processus d’optimisation et la fiabilité de la solution obtenue. / Launch vehicle design is a Multidisciplinary Design Optimization problem whose objective is to find the launch vehicle architecture providing the optimal performance while ensuring the required reliability. In order to obtain an optimal solution, the early design phases are essential for the design process and are characterized by the presence of uncertainty due to the involved physical phenomena and the lack of knowledge on the used models. This thesis is focused on methodologies for multidisciplinary analysis and optimization under uncertainty for launch vehicle design. Three complementary topics are tackled. First, two new formulations have been developed in order to ensure adequate interdisciplinary coupling handling. Then, two new reliability techniques have been proposed in order to take into account the various natures of uncertainty, involving surrogate models and efficient sampling methods. Eventually, a new approach of constraint handling for optimization algorithm ”Covariance Matrix Adaptation - Evolutionary Strategy” has been developed to ensure the feasibility of the optimal solution. All the proposed methods have been compared to existing techniques in literature on analysis and design test cases of launch vehicles. The results illustrate that the proposed approaches allow the improvement of the efficiency of the design process and of the reliability of the found solution.

Ce travail de thèse traite du développement d'une méthode de télédiagnostique de l'état de santé des suspensions des trains à grande vitesse à partir de mesures de la réponse dynamique du train en circulation par des accéléromètres embarqués. Un train en circulation est un système dynamique dont l'excitation provient des irrégularités de la géométrie de la voie ferrée. Ses éléments de suspension jouent un rôle fondamental de sécurité et de confort. La réponse dynamique du train étant dépendante des caractéristiques mécaniques des éléments de suspension, il est possible d'obtenir en inverse des informations sur l'état de ces éléments à partir de mesures accélérométriques embarquées. Connaître l'état de santé réel des suspensions permettrait d'améliorer la maintenance des trains. D’un point de vue mathématique, la méthode de télédiagnostique proposée consiste à résoudre un problème statistique inverse. Elle s'appuie sur un modèle numérique de dynamique ferroviaire et prend en compte l'incertitude de modèle ainsi que les erreurs de mesures. Les paramètres mécaniques associés aux éléments de suspension sont identifiés par calibration Bayésienne à partir de mesures simultanées des entrées (les irrégularités de la géométrie de la voie) et sorties (la réponse dynamique du train) du système. La calibration Bayésienne classique implique le calcul de la fonction de vraisemblance à partir du modèle stochastique de réponse et des données expérimentales. Le modèle numérique étant numériquement coûteux d'une part, ses entrées et sorties étant fonctionnelles d'autre part, une méthode de calibration Bayésienne originale est proposée. Elle utilise un métamodèle par processus Gaussien de la fonction de vraisemblance. Cette thèse présente comment un métamodèle aléatoire peut être utilisé pour estimer la loi de probabilité des paramètres du modèle. La méthode proposée permet la prise en compte du nouveau type d'incertitude induit par l'utilisation d'un métamodèle. Cette prise en compte est nécessaire pour une estimation correcte de la précision de la calibration. La nouvelle méthode de calibration Bayésienne a été testée sur le cas applicatif ferroviaire, et a produit des résultats concluants. La validation a été faite par expériences numériques. Par ailleurs, l'évolution à long terme des paramètres mécaniques de suspensions a été étudiée à partir de mesures réelles de la réponse dynamique du train / The work presented here deals with the development of a health-state monitoring method for high-speed train suspensions using in-service measurements of the train dynamical response by embedded acceleration sensors. A rolling train is a dynamical system excited by the track-geometry irregularities. The suspension elements play a key role for the ride safety and comfort. The train dynamical response being dependent on the suspensions mechanical characteristics, information about the suspensions state can be inferred from acceleration measurements in the train by embedded sensors. This information about the actual suspensions state would allow for providing a more efficient train maintenance. Mathematically, the proposed monitoring solution consists in solving a statistical inverse problem. It is based on a train-dynamics computational model, and takes into account the model uncertainty and the measurement errors. A Bayesian calibration approach is adopted to identify the probability distribution of the mechanical parameters of the suspension elements from joint measurements of the system input (the track-geometry irregularities) and output (the train dynamical response).Classical Bayesian calibration implies the computation of the likelihood function using the stochastic model of the system output and experimental data. To cope with the fact that each run of the computational model is numerically expensive, and because of the functional nature of the system input and output, a novel Bayesian calibration method using a Gaussian-process surrogate model of the likelihood function is proposed. This thesis presents how such a random surrogate model can be used to estimate the probability distribution of the model parameters. The proposed method allows for taking into account the new type of uncertainty induced by the use of a surrogate model, which is necessary to correctly assess the calibration accuracy. The novel Bayesian calibration method has been tested on the railway application and has achieved conclusive results. Numerical experiments were used for validation. The long-term evolution of the suspension mechanical parameters has been studied using actual measurements of the train dynamical response

La simulation numérique est couramment utilisée pour étudier le comportement d’un composant et optimiser sa conception. Pour autant, chaque calcul est souvent coûteux en termes de temps et l’optimisation nécessite de résoudre un grand nombre de fois le modèle numérique pour différentes configurations du composant. Une solution actuelle pour réduire le temps de calcul consiste à remplacer la simulation coûteuse par un métamodèle. Des stratégies sont ensuite mises en place pour réaliser l’optimisation du composant à partir du métamodèle. Dans le cadre de cette thèse, trois dispositifs représentatifs des applications pouvant être traitées au sein du CEA LETI sont identifiés. L’étude de ces cas permet d’établir deux problématiques à résoudre. La première concerne la métamodélisation multi-fidélité, qui consiste à construire un métamodèle à partir de deux simulations du même composant ayant une précision différente. Les simulations sont obtenues à partir de différentes approximations du phénomène physique et aboutissent à un modèle appelé haute-fidélité (précis et coûteux) et un modèle basse fidélité (grossier et rapide à évaluer). Le travail sur cette méthode pour le cas de la cellule photoacoustique a amené au développement d’un nouveau métamodèle multifidélité basé sur les fonctions à base radiale. La deuxième problématique concerne la prise en compte des incertitudes de fabrication dans la conception de dispositifs photoniques. L’optimisation des performances de composants en tenant compte des écarts observés entre la géométrie désirée et la géométrie obtenue en fabrication a nécessité le développement d’une méthode spécifique pour le cas du coupleur adiabatique. / Numerical simulation is widely employed in engineering to study the behavior of a device and optimize its design. Nevertheless, each computation is often time consuming and, during an optimization sequence, the simulation code is evaluated a large number of times. An interesting way to reduce the computational burden is to build a metamodel (or surrogate model) of the simulation code. Adaptive strategies are then set up for the optimization of the component using the metamodel prediction. In the context of this thesis, three representative devices are identified for applications that can be encountered within the CEA LETI optics and photonics department. The study of these cases resulted in two problems to be treated. The first one concerns multifidelity metamodeling, which consists of constructing a metamodel from two simulations of the same component that can be hierarchically ranked in accuracy. The simulations are obtained from different approximations of the physical phenomenon. The work on this method for the case of the photoacoustic cell has generated the development of a new multifidelity surrogate model based on radial basis function. The second problem relate to the consideration of manufacturing uncertainties in the design of photonic devices. Taking into account the differences observed between the desired geometry and the geometry obtained in manufacturing for the optimization of the component efficiency requires the development of a particular method for the case of the adiabatic coupler. The entire work of this thesis is capitalized in a software toolbox.