Les ateliers de traitement de surface automatisés, qui utilisent des robots de manutention commandés par ordinateur pour le transport de la pièce, ont été largement mis en place dans différents types d'entreprises industrielles, en raison de ses nombreux avantages par rapport à un mode de production manuel, tels que : une plus grande productivité, une meilleure qualité des produits, et l’impact sur les rythmes de travail. Notre recherche porte sur trois types de problèmes d'ordonnancement associés à ces systèmes, appelés Hoist Scheduling Problems, caractérisés par des contraintes de fenêtres de temps de traitement: (I) un problème à une seule ressource de transport où l’objectif est de minimiser le temps de cycle; (II) un problème bi-objectif avec une seule ressource de transport où il faut minimiser le temps de cycle et la consommation de ressources de traitement (et par conséquent le coût de production); et (III) un problème d'ordonnancement cyclique mono-objectif mais multi-robots.En raison de la NP-complétude des problèmes étudiés et de nombreux avantages de les outils de type quantum-inspired evolutionary algorithm (QEA), nous proposons d'abord un QEA hybride comprenant un mécanisme de décodage amélioré et une procédure réparation dédiée pour trouver le meilleur temps de cycle pour le premier problème. Après cela, afin d'améliorer à la fois la performance économique et environnementale qui constituent deux des trois piliers de la stratégie de développement durable de nos jours déployée dans de nombreuses industries, nous formulons un modèle mathématique bi-objectif pour le deuxième problème en utilisant la méthode de l'intervalle interdit. Ensuite, nous proposons un QEA bi-objectif couplé avec une procédure de recherche locale pour minimiser simultanément le temps de cycle et les coûts de production, en générant un ensemble de solutions Pareto-optimales pour ce problème. Quant au troisième problème, nous constatons que la plupart des approches utilisées dans les recherches actuelles, telles que la programmation entière mixte (MIP), peuvent conduire à l’obtention d’une solution non optimale en raison de la prise en compte courante d’une hypothèse limitant l’exploration de l’espace de recherche et relative aux mouvements en charge des robots. Par conséquent, nous proposons une approche de MIP améliorée qui peut garantir l'optimalité des solutions obtenues pour ce problème, en relaxant l'hypothèse mentionnée ci-dessus.Pour chaque problème, une étude expérimentale a été menée sur des cas industriels ainsi que sur des instances générées aléatoirement. Les résultats obtenus montrent que l’efficacité des algorithmes d'ordonnancement proposés, ce qui justifie les choix que nous avons faits. / Automated treatment surface facilities, which employ computer-controlled hoists for part transportation, have been extensively established in various kinds of industrial companies, because of its numerous advantages over manual system, such as higher productivity, better product quality, and reduced labor intensity. Our research investigates three typical hoist scheduling problems with processing time windows in treatment surface facilities, which are: (I) cyclic single-hoist scheduling problem to minimize the cycle time; (II) cyclic single-hoist scheduling problem to minimize the cycle time and processing resource consumption (and consequently production cost); and (III) cyclic multi-hoist scheduling problem to minimize the cycle time.Due to the NP-completeness of the studied problems and numerous advantages of quantum-inspired evolutionary algorithm (QEA), we first propose a hybrid QEA with improved decoding mechanism and repairing procedure to find the best cycle time for the first problem. After that, to enhance with both the economic and environmental performance, which constitute two of the three pillars of the sustainable strategy nowadays deployed in many industries, we formulate a bi-objective mathematical model for the second problem by using the method of prohibited interval. Then we propose a bi-objective QEA with local search procedure to simultaneously minimize the cycle time and production cost, and we find a set of Pareto-optimal solutions for this problem. As for the third problem, we find that most existing approaches, such as mixed integer programming (MIP) approach, may identify a non-optimal solution to be an optimal one due to an assumption related to the loaded hoist moves which is made in many existing researches. Consequently, we propose an improved MIP approach for this problem by relaxing the above-mentioned assumption. Our approach can guarantee the optimality of its obtained solutions.For each problem, experimental study on industrial instances and random instances has been conducted. Computational results demonstrate that the proposed scheduling algorithms are effective and justify the choices we made.

Ce manuscrit synthétise plus d'une décade de notre recherche académique sur le sujet d'optimisation de codes bas niveau, dont le but est une intégration dans un compilateur optimisant ou dans un outil d'optimisation semi-automatique. Dans les programmes bas niveau, les caractéristiques du processeur sont connues et peuvent être utilisées pour générer des codes plus en harmonie avec le matériel. Nous commençons notre document par une vue générale sur le problème d'ordonnancement des phases de compilation. Actuellement, des centaines d'étapes de compilation et d'optimisation de codes existent; un problème fondamental et ouvert reste de savoir comment les combiner et les ordonner efficacement. Pour pallier rapidement cette difficulté, une stratégie du moindre effort consiste à appliquer une compilation itérative en exécutant successivement le programme avant de décider de la technique d'optimisation de code à employer et avec quels paramètres. Nous prouvons que l'approche de compilation itérative ne simpli fie pas fondamentalement le problème, et l'utilisation de modèles statiques de performances reste un choix raisonnable. Un problème classique de con it entre deux étapes de compilation est celui qui lie l'allocation de registres et l'ordonnancement d'instructions. Nous montrons comment gérer efficacement cet antagonisme en séparant les contraintes de registres des contraintes d'ordonnancement d'instructions. Cela est possible grâce à la notion de saturation en registres (RS), qui est le besoin maximal en registres pour tous les ordonnancements possibles d'un graphe. Nous apportons une contribution formelle et une heuristique efficace, qui permettent la détection de contraintes de registres toujours véri fiées; ils peuvent par conséquent être négligées. Nous introduisons la plate-forme SIRA, qui permet de garantir l'absence de code de vidage avant l'ordonnancement d'instructions. SIRA est un modèle basé sur la théorie des graphes permettant de borner le besoin maximal en registres pour tout pipeline logiciel, sans altérer, si possible, le parallélisme d'instructions. SIRA modélise les contraintes cycliques des registres dans différentes architectures possibles : avec plusieurs types de registres, avec tampons ou les d'attente, et avec des bancs de registres rotatifs. Nous apportons une heuristique efficace qui montre des résultats satisfaisants, que ce soit comme outil indépendant, ou comme passe intégrée dans un vrai compilateur. Dans le contexte des processeurs exhibant des retards d'accès aux registres (VLIW, EPIC, DSP), nous attirons l'attention sur le problème qui peut survenir lorsque les contraintes de registres sont traitées avant l'ordonnancement d'instructions. Ce problème est la création de circuits négatifs ou nuls dans le graphe de dépendances de données. Nous montrons comment éliminer ces circuits indésirables dans le contexte de SIRA. SIRA définit une relation formelle entre le nombre de registres alloués, le parallélisme d'instructions et le facteur de déroulage d'une boucle. Nous nous basons sur cette relation pour écrire un algorithme optimal qui minimise le facteur de déroulage tout en sauvegardant le parallélisme d'instructions et en garantissant l'absence de code de vidage. D'après nos connaissances, ceci est le premier résultat qui démontre que le compactage de la taille de code n'est pas un objectif antagoniste à l'optimisation des performances de code. L'interaction entre la hiérarchie mémoire et le parallélisme d'instructions est un point central si l'on souhaite réduire le coût des latences d'opérations de chargement. Premièrement, notre étude pratique avec des micro-benchmarks montre que les processeurs superscalaires ayant une exécution dans le désordre ont un bug de performances dans leur mécanisme de désambiguation mémoire. Nous montrons ensuite qu'une vectorisation des opérations mémoire résoud ce problème pour des codes réguliers. Deuxièmement, nous étudions l'optimisation de préchargement de données pour des codes VLIW embarqués irréguliers. Finalement, avec l'arrivée des processeurs multicoeurs, nous observons que les temps d'exécution des programmes deviennent très variables. A fin d'améliorer la reproductibilité des résultats expérimentaux, nous avons conçu le Speedup-Test, un protocole statistique rigoureux. Nous nous basons sur des tests statistiques connus (tests de Shapiro-Wilk, F de Fisher, de Student, de Kolmogorov-Smirnov, de Wilcoxon- Mann-Whitney) a n d'évaluer si une accélération observée du temps d'exécution médian ou moyen est signi cative.

En biologie structurale, il est couramment admit que la structure tridimensionnelle d'une protéine détermine sa fonction. Ce paradigme permet de supposer que deux protéines possédant des structures tridimensionnelles similaires peuvent partager un ancêtre commun et donc posséder des fonctions similaires. Déterminer la similarité entre deux structures de protéines est une tâche importante qui a été largement étudiée. Parmi toutes les méthodes proposées, nous nous intéressons à la mesure de similarité appelée “maximisation du recouvrement de cartes de contacts” (ou CMO), principalement parce qu'elle fournit des scores de similarité pouvant être utilisés pour obtenir de bonnes classifications automatiques des structures de protéines. Dans cette thèse, la comparaison de deux structures de protéines est modélisée comme une recherche de sous-graphe dans des graphes k-partis spécifiques appelés graphes d'alignements, et nous montrons que cette tâche peut être efficacement réalisée en utilisant des techniques avancées issues de l'optimisation combinatoire. Dans la seconde partie de cette thèse, nous modélisons CMO comme une recherche de sousgraphe maximum induit par les arêtes dans des graphes d'alignements, problème pour lequel nous proposons un solveur exact qui surpasse les autres algorithmes de la littérature. Même si nous avons réussi à accélérer CMO, la procédure d'alignement requière encore trop de temps de calculs pour envisager des comparaisons à grande échelle. La troisième partie de cette thèse est consacrée à l'accélération de CMO en utilisant des connaissances issues de la biologie structurale. Nous proposons une approche hiérarchique pour résoudre CMO qui est basée sur les structures secondaires des protéines. Enfin, bien que CMO soit une très bonne mesure de similarité, les alignements qu'elle fournit possèdent souvent de fortes valeurs de déviation (root mean squared deviation, ou RMSD). Pour palier à cette faiblesse, dans la dernière partie de cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode de comparaison de structures de protéines basée sur les distances internes que nous appelons DAST (pour Distance-based Alignment Search Tool). Elle est modélisée comme une recherche de clique maximum dans des graphes d'alignements, pour laquelle nous présentons un solveur dédié montrant de très bonnes performances.

L'objectif principal de notre étude est de développer des algorithmes rapides pour une conception optimale et une implantation de très faible complexité des filtres numériques. Le critère d'optimisation choisi est celui de la minimisation de l'erreur quadratique moyenne. Ainsi, nous avons étudié et développé de nouveaux algorithmes de synthèse des filtres à réponse impulsionnelle finie (RIF) associés aux deux techniques de filtrage par blocs, overlap-save (OLS) et overlap-add (OLA). Ces deux techniques de filtrage RIF consistent à traiter le signal par blocs au moyen de la transformée de Fourier rapide (TFR) et permettent ainsi de réduire la complexité arithmétique des calculs de convolution. Les algorithmes que nous avons proposés sont basés sur le développement du modèle matriciel des structures OLS et OLA et sur l'utilisation des propriétés de l'algèbre linéaire, en particulier celles des matrices circulantes. Pour réduire davantage la complexité et la distorsion de filtrage, nous avons approfondi les bases mathématiques de la transformée en nombres de Fermat (FNT : Fermat Number Transform) qui est amenée à trouver des applications de plus en plus diverses en traitement du signal. Cette transformée, définie sur un corps de Galois d'ordre égal à un nombre de Fermat, est un cas particulier des transformées en nombres entiers (NTT : Number Theoretic Transform). Comparé à la TFR, la FNT permet un calcul sans erreur d'arrondi ainsi qu'une large réduction du nombre de multiplications nécessaires à la réalisation du produit de convolution. Pour mettre en évidence cette transformée, nous avons proposé et étudié une nouvelle conception des filtres blocs OLS et OLA mettant en oeuvre la FNT. Nous avons ensuite développé un algorithme de très faible complexité pour la synthèse du filtre optimal en utilisant les propriétés des matrices circulantes que nous avons développées dans le corps de Galois. Les résultats de l'implantation en virgule fixe du filtrage par blocs ont montré que l'utilisation de la FNT à la place de la TFR permettra de réduire la complexité et les erreurs de filtrage ainsi que le coût de synthèse du filtre optimal.

Le principal objectif de notre étude est d'évaluer la possibilité d'un développement en temps réel d'un système d'annulation d'écho acoustique. Pour réduire le coût de calcul de ce système, nous avons approfondi les bases mathématiques de la transformée en nombres entiers (NTT : Number Theoretic Transform) qui est amenée à trouver des applications de plus en plus diverses en traitement du signal. Nous avons introduit plus particulièrement la transformée en nombres de Fermat (FNT : Fermat Number Transform) qui permet une réduction, par rapport à la FFT (Fast Fourier Transform), des nombres de multiplications nécessaires à la réalisation de certaines fonctions telles que les produits de convolution. Pour mettre en évidence cette transformée, nous avons proposé et étudié de nouveaux algorithmes d'annulation d'écho de faible complexité que nous avons traités par blocs et rendus robustes avant de les implanter au moyen de la FNT. Le résultat de cette implantation, comparée à une implantation par la FFT, a montré une forte réduction du nombre de multiplications accompagnée d'une augmentation du nombre d'opérations classiques. Pour réduire cette augmentation, nous avons proposé une nouvelle technique de la transformée, intitulée Generalized Sliding FNT (GSFNT). Celle-ci consiste à calculer la FNT d'une succession de séquences qui diffèrent d'un certain nombre d'échantillons l'une de l'autre. Le résultat des simulations des performances de ces algorithmes d'annulation d'écho, traités au moyen de cette technique, a montré que celle-ci permet de pallier à l'augmentation du nombre d'opérations classiques observée lors d'une implantation en FNT. Enfin, l'implantation des algorithmes d'annulation d'écho en FNT et par une nouvelle procédure de l'algorithme MDF (Multi-Delay Filter ) associée à la nouvelle méthode de calcul du pas d'adaptation, a permis une réduction significative de la complexité de calcul.

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Le cadre de cette thèse est l'optimisation des opérations aéroportuaires. Nous nous intéressons à trois problèmes de gestion des avions dans un aéroport : l'affectation aux points de stationnement, le routage au sol entre les pistes et les points de stationnement, et l'ordonnancement des décollages et des atterrissages.Ce travail a été réalisée en collaboration étroite avec la société Amadeus. Nos approches ont été testées et validées avec des données réelles provenant d'aéroports européens.Nous proposons une formulation en Programme Linéaire en Nombres Entiers (PLNE) du problème d'affectation aux points de stationnement. Nous montrons que trouver une affectation réalisable est un problème NP-Complet et nous proposons diverses améliorations visant à réduire le temps de résolution de notre modèle. Nous obtenons ainsi des solutions de meilleure qualité que celles de la littérature, tout en conservant un temps de calcul raisonnable.Le problème de routage au sol est modélisé en adaptant un PLNE de la littérature. Nous montrons que les indicateurs de l'industrie sont en contradiction avec l'objectif de réduction du temps de roulage, et donc des émissions de pollutions. Nous proposons de nouveaux indicateurs basés sur l'heure de décollage, et non sur l'heure de départ du point de stationnement.Enfin, nous nous intéressons à l'intégration de l'ordonnancement à la piste avec le routage au sol. Nous montrons qu'une meilleure intégration permet de réduire le temps de roulage et d'améliorer la gestion de la piste. Nous proposons une heuristique séquentielle basée sur une modélisation en PLNE innovante du problème d'ordonnancement à la piste. Nous montrons que cette heuristique fournit des solutions de bonne qualité en temps raisonnable, contrairement à l'approche exacte de la littérature. / In this thesis, we address the optimization of aircraft ground operations at airports, focusing on three main optimization problems: the stand allocation, the ground routing between stands and runways, and the sequencing of take-offs and landings.These works result from a close collaboration with Amadeus. Our approaches have been tested and validated with real data from European airports.The stand allocation problem is formulated as a Mixed Integer Program (MIP). We show that finding an allocation plan respecting operational requirements is NP-Complete and we strengthen our model in several directions. We obtain better solutions than the literature withing reasonable computation times for an industrial application.The ground routing problem is modeled by a MIP formulation adapted from the literature. We show that the main indicators of the industry are in contradiction with the objective of reducing taxi times and therefore air pollution. We propose new indicators based on take-off times instead of push back times.Lastly, we focus on the integration of the runway sequencing with the ground routing. We highlight that a better integration allows to reduce taxi times while improving the management of the runway. We propose a sequential heuristic based on an innovative MIP formulation of the runway sequencing problem. This heuristic is shown to provide high quality solutions in reasonable computation times, unlike the exact approach from the literature.

Les problèmes d’ordonnancement de rendez-vous en tête-à-tête sont des problèmes dans lesquels des personnes souhaitent se rencontrer par deux lors de courts rendez-vous qui se déroulent lors d’une session unique. Dans cette thèse, nous référençons plusieurs applications de ce type de problèmes et proposons des notations qui généralisent les notations standards de problèmes d’ordonnancement α|β|γ. Nous nous intéressons en particulier à un cas dans lequel deux populations distinctes se rencontrent, des participants peuvent arriver en retard et des rencontres sont interdites. L’objectif est de minimiser le nombre maximal d’attentes des participants. Nous étudions dans un premier temps la complexité de ces problèmes : nous démontrons que plusieurs cas sans rencontre interdite sont polynomiaux et que le cas général est NP-complet au sens fort. Nous proposons ensuite des bornes inférieures. Puis nous développons plusieurs méthodes de résolution. Des modèles de programmation linéaire en nombres entiers et un modèle de programmation par contraintes sont tout d’abord proposés. Des règles de dominance permettant de limiter les symétries sont intégrées à ces modèles dans le but de limiter l’espace des solutions. Enfin, nous proposons une recherche à divergence limitée (limited discrepancy search) qui est une méthode approchée basée sur l’exploration d’un arbre de recherche tronqué. Dans cette méthode, nous exploitons le plus possible les propriétés de symétrie du problème pour faciliter la convergence vers une bonne solution. Toutes ces méthodes sont testées et comparées sur un ensemble de 300 instances générées aléatoirement d’après des paramètres réalistes. / One-to-one meeting scheduling problems are problems where a population of actors want to meet each other during short time slots that take place in a single session. In this thesis, we reference several applications of this type of problems found in the literature and introduce a notation extending the well-known scheduling notation α|β|γ. We are particularly interested in a case in which two distinct populations meet, participants may arrive late and some meetings are forbidden. The objective is to minimize the maximum number of participants waiting slots. First, we study the complexity of these problems: we show that several cases with no forbidden meeting are polynomial and that the general case is NP-complete in the strong sense. We then propose lower bounds. After that, we develop several resolution methods. Integer linear programming models and a constraint programming model are developed. To limit the solution space, we add dominance rules based on symmetries to these methods. Finally, we present a limited discrepancy search (i.e. an approximate method based on the exploration of a truncated tree search). In this method, we use as much as possible the symmetry properties of the problem to facilitate the convergence to a good solution. All these methods are tested and compared on a set of 300 randomly generated instances from realistic parameters.

Les incitations économiques et environnementales poussent dorénavant à intégrer des considérations énergétiques dès les premiers stades de développement des réseaux. Dans les réseaux sans fil multi-sauts, l'approche la plus courante consiste à répartir le trafic sur l'ensemble des nœuds afin de réduire équitablement la consommation énergétique de chacun, avec pour objectif la maximisation de la durée de vie du réseau. Or cette approche n'est pas optimale vis-à-vis de la consommation globale du réseau, le niveau d'activité d'un nœud n'ayant souvent que peu d'influence sur sa propre consommation. Nous montrons que la meilleure approche consiste à éteindre un maximum de nœuds. Parmi les travaux réalisés, nous avons développé une solution s'appuyant sur de la programmation linéaire en nombres entiers et des simulations de graphes et de réseaux. La solution proposée permet ainsi une agrégation de flux optimale, réduisant significativement le nombre de nœuds utilisés dans le réseau. Afin de la rendre applicable en pratique, une heuristique est détaillée permettant une mise en œuvre distribuée grâce à l'utilisation d'une métrique de routage. Ainsi, tout algorithme de plus court chemin peut nativement réaliser de l'agrégation de flux efficace. Il est important de souligner que la qualité de service en termes de débit est respectée. En effet, les interférences sont prises en compte et il est possible de profiter de la synergie offerte par l'utilisation conjointe de l'agrégation de flux et du codage réseau. Nos résultats améliorent significativement les méthodes d'économie d'énergie basées sur l'extinction des nœuds en leur permettant d'en éteindre davantage. / Economic and ecologic incentives are now leading people to design networks with energetic considerations at early stages of development. Most of the works for multi-hop wireless networks tend to spread the traffic uniformly over the network to reduce the energy consumption of each node individually. However, considering that the traffic of a node doesn't impact significantly its energy consumption, this approach is not optimal regarding the global energy consumption of the network. Finding a way to turnoff as much node as possible seems then to be a better way. This PhD thesis focus on routing a set of flows over a multi-hop wireless network while minimizing the number of used nodes. This is done by using a distributed metric that allows the shortest path routing algorithms to perform flow aggregation. Using integer linear programming and simulations, we proposed an efficient solution to aggregate flows to significantly reduce the number of nodes used in the network. It allows, then, to improve algorithms that reduce the energy consumption of networks by increasing the number of nodes that can be turned off.