Search

In a context of reducing the impacts of agricultural practices on human health andecosystems, it is necessary to better account for ammonia (NH3) volatilization in the inventories of NH3 emissions, the understanding of the nitrogen behavior after fertilization and the modeling of air quality.Given the considerable weight of nitrogen fertilizer (55%) in the total national NH3 emissions, nitrogen fertilization is an important lever for reducing NH3 emissions. Current national inventories are based on the use of default emission factors (EF) and suffer from a lack of fine spatial and temporal NH3 emissions descriptions making it difficult to develop effective emission reduction policies. Moreover, even if there are currently models that globally simulate the fate of nitrogen on the crop cycle, their do not always take into account the volatilization of NH3, and if it is, the volatilization modules are often very frustrating and have not been validated. There are models dedicated exclusively to the volatilization of NH3 in the field, but their requirements for data and input parameters and their calculation time limit their large-scale use (e.g, at national scale) in many geographical locations for several years as well as their integration into airquality prediction models or decision support or environmental assessment tools in terms of nitrogen fertilization.This thesis proposes new tools. The first tool, CADASTRE_NH3 makes it possible to describe and analyze the spatio-temporal variability of NH3 emissions from nitrogen fertilization. It combines the Volt'Air process-based model with geo-referenced databases on agro-soil-meteorological factors at the national level. This approach has demonstrated its ability to capture the spatio-temporal variability ofnitrogen use and resulting NH3 emissions, and to take into account the effect of soil and climate factor interactions on emissions. The comparison of CADASTRE_NH3 results with the official French inventories shows strong convergences regarding the quantities of nitrogen used and NH3 emissions in France for the year 2005-06, but also divergences especially for the case of organic waste products. Thesecond type of tool corresponds to meta-models derived from Volt'Air for predicting NH3 emission rates after nitrogen fertilizer applications. These meta-models have many practical advantages because of their simplicity and operability. They have promising potential uses to support decision-making in terms of fertilizer use conditions and also to support emission reduction policies through, for example, scenario testing.However, it would be interesting to compare the tools developed in this thesis with experimental data to evaluate their respective performance and validate all our approaches. It would also be interesting to develop dynamic meta-models of Volt'Air that can describe the dynamics of NH3 fluxes related to nitrogen fertilizer applications and to be integrated as simple modules of NH3 volatilization in agronomic and atmospheric models.; Dans un contexte de réduction des impacts des pratiques agricoles sur la santé humaine et sur les écosystèmes, il est nécessaire de bien prendre en compte la volatilisation d’ammoniac (NH3) dans les inventaires d’émissions, la compréhension du devenir de l’azote après fertilisation et la modélisation de la qualité de l’air. Etant donné le poids de la fertilisation azotée (55%) dans le total des émissions nationales de NH3, cette dernière constitue un levier important pour réduire les émissions de NH3. Les inventaires nationaux actuels, basés sur l’utilisation de facteurs d’émission par défaut, souffrent d’un manque de description spatiale et temporelle, rendant difficile l’élaboration des politiques de réduction efficaces des émissions. Par ailleurs, même s’il existe à l’heure actuelle des modèles qui simulent de manière globale le devenir de l’azote sur le cycle de la culture, la volatilisation de NH3 n’est pas toujours prise en compte, et si elle l’est, les modules de volatilisation sont souvent relativement frustres et n’ont été que partiellement validés. Il existe pourtant des modèles dédiés exclusivement à la volatilisation de NH3 au champ, mais leurs exigences en données et paramètres d’entrée et leur temps de calcul limitent leur utilisation à grande échelle (exemple, échelle nationale…) sur de nombreux sites géographiques pendant plusieurs années, ainsi que leur intégration dans des modèles opérationnels de prédiction de la qualité de l’air, ou des outils d’aide à la décision ou d’évaluation environnementale en termes de fertilisation azotée.Cette thèse propose des nouveaux outils. Le premier outil, CADASTRE_NH3, permet de décrire et d’analyser la variabilité spatio-temporelle des émissions de NH3 liées à la fertilisation azotée. Il couple le modèle de processus Volt’Air avec des bases de données géo-référencées sur les facteurs agro-pédoclimatiques à l’échelle nationale. Cette approche d’inventaires des émissions a montré sa capacité à capturer les variabilités spatio-temporelles de l’utilisation d’azote et des émissions de NH3 qui en résultent, et à prendre en compte l’effet des interactions des facteurs pédologiques et/ou climatiques sur les émissions. La confrontation des résultats de l’outil CADASTRE_NH3 avec les inventaires officiels français montrent de fortes convergences en ce qui concerne les quantités d’azote utilisé et les émissions de NH3 en France pour l’année 2005-06, mais aussi des divergences notamment pour le cas des produits résiduaires organiques. Le deuxième type d’outils correspond aux méta-modèles dérivés de Volt'Air pour prédire les taux d’émissions de NH3 après application d’engrais azotés. Ces méta-modèles présentent de nombreux avantages pratiques du fait de leur simplicité et opérationnalité. Ils ont des potentiels d’utilisation prometteurs pour accompagner la prise de décision en terme de conditions d’utilisation des engrais et également pour appuyer les politiques de réduction des émissions à travers par exemple la réalisation des tests de scénarios.Il serait cependant intéressant de confronter les outils développés dans le cadre de cette thèse avec des données expérimentales pour évaluer leur performance respective et valider l’ensemble de nos approches. Il serait également intéressant de développer des méta-modèles dynamiques dérivés du modèle Volt’Air capables de décrire la dynamique des flux de NH3 liés à l’application des engrais azotés pour être intégrés comme modules simples de volatilisation de NH3 dans des modèles agronomiques et atmosphériques.

Industrial innovation aims towards more complex Mecatronics products which combine multidisciplinary domains. The design process of these products leans on several multi-business. The creation of components' facets requires the use of specialized tools. However there is no real global integration within the information system allowing an integrated management of various know-how and fields of expertise, in spite of capabilities certain systems as PLM. This work presents a generic resolution method. The object of this paper is to present a global approach for the integration of Mecatronics systems into a PLM system using a specific modeling. The first implementation tests within Windchill PLM system shows that it was possible to integrate with a semantic structure, links between multidisciplinary business objects., L’innovation industrielle tend vers des produits de plus en plus complexes de type mécatronique qui combine des domaines pluridisciplinaires. Les processus de conception de ces produits fait appel aux compétences d’acteurs issus des différents métiers et la création des différentes facettes des constituants nécessite l’utilisation d’outils spécialisés; pour autant il n’existe pas de véritable intégration globale au sein du système d'information permettant une gestion intégrée des différents savoir-faire et domaines de compétence malgré la capacité de certains systèmes comme le PLM. Ce travail présente une méthode de résolution générique. L'objet du présent document est de définir une approche globale pour l'intégration des données des systèmes mécatroniques dans un système PLM en utilisant une modélisation spécifique basé sur la caractérisation du cycle de vie et l'utilisation de SysML. Les premiers essais d’implémentation au sein du PLM Windchill, nous ont permis de valider qu’il était possible d’intégrer, avec une structure sémantique, des liens entre des objets métiers pluridisciplinaires.

Optimisation strategies on assembly design are often relatively time expensive because of the large number of non-linear calculations (due to contact or friction problems) required to localize the optimum of an objective function. In order to achieve this kind of optimization problems with an acceptable computational time, this work propose to use a two-levels model optimization strategy based on two main tools: (1) the multiparametric strategy based on the LaTIn method that enables to reduce significantly the computational time for solving many similar mechanical assembly problems and (2) a cokriging metamodel built using responses and gradients computed by the mechanical solver on few sets of design parameters. The metamodel provides very inexpensive approximate responses of the objective function and it enables to achieve a global optimisation and to obtain the global optimum. The cokriging metamodel was reviewed in detail using analytical test functions and some mechanical benchmarks. The quality of the approximation and the building cost were compared with classical kriging approach. Moreover, a complete study of the multiparametric strategy was proposed using many mechanical benchmarks included many kinds and numbers of design parameters. The performance in term of computational time of the whole optimisation process was illustrated.; Bien que de plus en plus employée au sein des bureaux d'études dans le cadre de la conception mécanique, l'optimisation reste à l'heure actuelle encore relativement peu utilisée dans le cadre des assemblages de structures. La résolution mécanique de ce type de problèmes nécessite la mise en oeuvre de méthodes numériques de résolution capables de prendre en compte des non-linéarités de type frottement et contact. Ces méthodes sont, en raison du temps de calcul, généralement incompatibles avec la recherche d'un optimum global nécessitant un nombre important de résolutions. C'est pour pallier à ce problème que ce travail propose l'emploi d'une approche d'optimisation bi-niveaux de modèles faisant intervenir deux outils: (1) la stratégie multiparamétrique, basée sur la méthode LaTIn, assure d'importantes réductions des temps de calcul associés aux multiples résolutions du problème mécanique et (2) un métamodèle de type cokrigeage construit à partir d'un nombre limité de réponses et gradients calculés par le solveur mécanique. Ce métamodèle est alors capable de fournir à coût extrêmement faible des réponses approchées de la fonction objectif. Une optimisation globale est ensuite réalisée sur ce dernier, assurant l'obtention d'un optimum global. Le métamodèle de cokrigeage est étudié en détail sur des exemples analytiques et mécaniques comportant divers nombres de paramètres. Par ailleurs, une étude complète de l'emploi de la stratégie multiparamétrique est proposée et de nombreux exemples d'assemblages sont considérés, permettant ainsi d'illustrer les performances significatives de la procédure d'optimisation proposée.

Optimisation strategies on assembly design are often relatively time expensive because of the large number of non-linear calculations (due to contact or friction problems) required to localize the optimum of an objective function. In order to achieve this kind of optimization problems with an acceptable computational time, this work propose to use a two-levels model optimization strategy based on two main tools: (1) the multiparametric strategy based on the LaTIn method that enables to reduce significantly the computational time for solving many similar mechanical assembly problems and (2) a cokriging metamodel built using responses and gradients computed by the mechanical solver on few sets of design parameters. The metamodel provides very inexpensive approximate responses of the objective function and it enables to achieve a global optimisation and to obtain the global optimum. The cokriging metamodel was reviewed in detail using analytical test functions and some mechanical benchmarks. The quality of the approximation and the building cost were compared with classical kriging approach. Moreover, a complete study of the multiparametric strategy was proposed using many mechanical benchmarks included many kinds and numbers of design parameters. The performance in term of computational time of the whole optimisation process was illustrated.; Bien que de plus en plus employée au sein des bureaux d'études dans le cadre de la conception mécanique, l'optimisation reste à l'heure actuelle encore relativement peu utilisée dans le cadre des assemblages de structures. La résolution mécanique de ce type de problèmes nécessite la mise en oeuvre de méthodes numériques de résolution capables de prendre en compte des non-linéarités de type frottement et contact. Ces méthodes sont, en raison du temps de calcul, généralement incompatibles avec la recherche d'un optimum global nécessitant un nombre important de résolutions. C'est pour pallier à ce problème que ce travail propose l'emploi d'une approche d'optimisation bi-niveaux de modèles faisant intervenir deux outils: (1) la stratégie multiparamétrique, basée sur la méthode LaTIn, assure d'importantes réductions des temps de calcul associés aux multiples résolutions du problème mécanique et (2) un métamodèle de type cokrigeage construit à partir d'un nombre limité de réponses et gradients calculés par le solveur mécanique. Ce métamodèle est alors capable de fournir à coût extrêmement faible des réponses approchées de la fonction objectif. Une optimisation globale est ensuite réalisée sur ce dernier, assurant l'obtention d'un optimum global. Le métamodèle de cokrigeage est étudié en détail sur des exemples analytiques et mécaniques comportant divers nombres de paramètres. Par ailleurs, une étude complète de l'emploi de la stratégie multiparamétrique est proposée et de nombreux exemples d'assemblages sont considérés, permettant ainsi d'illustrer les performances significatives de la procédure d'optimisation proposée.

Embedded systems such as mobile phones, tablets and GPS incorporate an increasing number of electronic functions that generate a decrease in battery life. The aim of this work is to propose new solutions for audio amplifiers for the headphone application because this application has a large impact on battery autonomy. To improve the efficiency of actual amplifiers, a behavioral model of this kind of amplifier has been developed and validated by practical measures. This model, fast, accurate and reconfigurable allows in few seconds to evaluate the efficiency, consumption and quality of sound reproduction in real conditions of operation. Through the use of this model coupled with an optimizing method based on two algorithms, several architectures of level detector were studied and compared allowing to define the best compromise. A new architecture is then proposed, simulated and optimized in a 0.25μm technology from ST Microelectronics to demonstrate the feasibility of the solution., 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.

National audience; We propose a flexible and adaptable framework to assist the quick design of models dealing with the durability of the extensive livestock systems at the territorial scale. This metamodel results from the collaborative design starting from MAS developed on 7 sites in Latin America, France and Senegal. It is composed of four packages: Agent, Community, Space and Vegetation-Herd. We illustrate these packages with examples extracted from the various models. The role of this tool is discussed in order to show its advantages and its limits

This dissertation addresses the issue of dealing with uncertainties when surrogate models are used to approximate costly numerical simulators. First, we propose alternatives to compensate for the surrogate model errors in order to obtain safe predictions with minimal impact on the accuracy (conservative strategies). The efficiency of the different methods are analyzed with the help of engineering problems, and are applied to the optimization of a laminate composite under reliability constraints. We also propose two contributions to the field of design of experiments (DoE) in order to minimize the uncertainty of surrogate models. Firstly, we developed a sequential method to build DoEs that minimize the error in a target region of the design space. Secondly, we proposed optimal sampling strategies when simulators with noisy responses are considered., Cette thèse est consacrée à la planification et l'exploitation d'expériences numériques à l'aide de modèles de remplacement (métamodèles), et plus particulièrement à la prise en compte des incertitudes induites par l'utilisation de ces métamodèles. Dans un premier temps, différentes méthodes sont proposées pour compenser ces incertitudes en biaisant les modèles afin de limiter le risque d'erreur 'défavorable' (méthodes conservatives). Cette étude s'appuie sur des applications en mécanique des structures, et en particulier, l'optimisation d'un système soumis a des contraintes de fiabilité. Cette thèse propose également deux contributions au domaine de la planification d'expériences numériques. D'une part, une méthode a été développée pour construire des plans permettant de minimiser l'erreur du modèle dans une région cible de l'espace de conception. Enfin, nous avons proposé des résultats pour la planification optimale des calculs dans le cas de simulateurs à réponse bruitées.

This dissertation is driven by a question central to many industrial optimization problems : how to optimize a function when the budget for its evaluation is severely limited by either time or cost ? For example, when optimization relies on computer simulations, each taking several hours, the dimension and complexity of the optimization problem may seem irreconcilable with the evaluation budget (typically thirty parameters to be optimized with less than one hundred evaluations). This work is devoted to optimization algorithms dedicated to this context, which is out of range for most classical methods. The common principle of the methods discussed is to use Gaussian processes and Kriging to build a cheap proxy for the function to be optimized. This approximation is then used iteratively to choose the evaluation points. This choice is guided by a sampling criterion which combines local search, near promising evaluation results, and global search, in unexplored areas. Most of the criteria proposed over the years, such as the one underlying the classical EGO (for Efficient Global Optimization) algorithm, sample where the optimum is most likely to appear. By contrast, we propose an algorithm, named IAGO for Informational Approach to Global Optimization, which samples where the information gain on the optimizer location is deemed to be highest. The organisation of this dissertation is a direct consequence of the industrial concerns which drove this work. We hope it can be of use to the optimization community, but most of all to practitioners confronted with expensive-toevaluate functions. This is why we insist on the practical use of IAGO for the optimization of functions encountered in actual industrial problems. We also discuss how to handle constraints, noisy evaluation results, multi-objective problems, derivative evaluation results, or significant manufacturing uncertainties., Cette thèse traite d'une question centrale dans de nombreux problèmes d'optimisation, en particulieren ingénierie. Comment optimiser une fonction lorsque le nombre d'évaluations autorisé est très limité au regard de la dimension et de la complexité du problème ? Par exemple, lorsque le budget d'évaluations est limité par la durée des simulations numériques du système à optimiser, il n'est pas rare de devoir optimiser trente paramètres avec moinsde cent évaluations. Ce travail traite d'algorithmes d'optimisation spécifiques à ce contexte pour lequel la plupart des méthodes classiques sont inadaptées.Le principe commun aux méthodes proposées est d'exploiter les propriétés des processus gaussiens et du krigeage pour construire une approximation peu coûteuse de la fonction à optimiser. Cette approximation est ensuite utilisée pour choisir itérativement les évaluations à réaliser. Ce choix est dicté par un critère d'échantillonnage qui combine recherche locale, à proximité des résultats prometteurs, et recherche globale, dans les zones non explorées. La plupart des critères proposés dans la littérature, tel celui de l'algorithme EGO (pour Efficient Global Optimization), cherchent à échantillonner la fonction là où l'apparition d'un optimum est jugée la plus probable. En comparaison, l'algorithme IAGO (pour Informational Approach to Global Optimization), principale contribution de nos travaux, cherche à maximiser la quantité d'information apportée, sur la position de l'optimum, par l'évaluation réalisée. Des problématiques industrielles ont guidé l'organisation de ce mémoire, qui se destine à la communauté de l'optimisationtout comme aux praticiens confrontés à des fonctions à l'évaluation coûteuse. Aussi les applications industrielles y tiennent-elles une place importante tout comme la mise en place de l'algorithme IAGO. Nous détaillons non seulement le cas standard de l'optimisation d'une fonction réelle, mais aussi la prise en compte de contraintes, debruit sur les résultats des évaluations, de résultats d'évaluation du gradient, de problèmes multi-objectifs, ou encore d'incertitudes de fabrication significatives.

The aim of this work is to provide a multiobjective optimization based methodology to develop a fully automated tool that evaluates design of combustion chambers with simulation codes. First, the studies presented in this report deal with the automation of the simulation processes while insisting on the automatic mesh generation aspects. Then, to reduce the overall response time caused by the use of optimization technics with expensive simulation codes, a strategy based on metamodeling is proposed. The resulting tool is developed with a parallel code coupler offering performance and flexibility to the application. Finally, after some validations and evaluations on test cases, an application on an industrial combustor underlines the capacities of the mehod to identify promising designs., Les normes drastiques sur les émissions d'espèces polluantes et la volonté de réduire les délais de mise sur le marché incitent les motoristes à repenser les concepts de la nouvelle génération de chambres de combustion ainsi que leurs méthodes de conception. Les codes de simulation numérique des écoulements turbulents réactifs, basés sur une approche de moyenne de Reynolds (RANS), sont utilisés depuis quelques années par les ingénieurs dans les phases de conception des foyers aéronautiques. Leur emploi a permis de réduire les temps et les coûts de conception en diminuant notamment le nombre d'essais expérimentaux. La manière d'utiliser ces outils demeure un point clé pour élaborer des environnements performants d'aide à la décision.Le but de ces travaux de thèse est de fournir une méthodologie basée sur des considérations issues de l'optimisation multi-objectif pour développer un outil de conception automatisé qui intègre des codes de simulation numérique pour évaluer les configurations. En premier lieu, les études concernent l'automatisation des procédures de simulation en insistant sur les aspects de génération automatique de maillage. Ensuite, le problème des temps de restitution liés à l'utilisation conjointe de techniques d'optimisation et de codes de calcul coûteux en ressources informatiques est adressé en proposant un algorithme basé sur des méta-modèles. L'outil final est construit à partir d'un coupleur de codes parallèles, lui conférant ainsi des caractéristiques intéressantes de performance et de flexibilité. Finalement, après divers tests de validation et d'évaluation, une application sur une chambre de combustion industrielle montre les capacités de la méthode à identifier des configurations prometteuses.

The aim of this work is to provide a multiobjective optimization based methodology to develop a fully automated tool that evaluates design of combustion chambers with simulation codes. First, the studies presented in this report deal with the automation of the simulation processes while insisting on the automatic mesh generation aspects. Then, to reduce the overall response time caused by the use of optimization technics with expensive simulation codes, a strategy based on metamodeling is proposed. The resulting tool is developed with a parallel code coupler offering performance and flexibility to the application. Finally, after some validations and evaluations on test cases, an application on an industrial combustor underlines the capacities of the mehod to identify promising designs.; Les normes drastiques sur les émissions d'espèces polluantes et la volonté de réduire les délais de mise sur le marché incitent les motoristes à repenser les concepts de la nouvelle génération de chambres de combustion ainsi que leurs méthodes de conception. Les codes de simulation numérique des écoulements turbulents réactifs, basés sur une approche de moyenne de Reynolds (RANS), sont utilisés depuis quelques années par les ingénieurs dans les phases de conception des foyers aéronautiques. Leur emploi a permis de réduire les temps et les coûts de conception en diminuant notamment le nombre d'essais expérimentaux. La manière d'utiliser ces outils demeure un point clé pour élaborer des environnements performants d'aide à la décision.Le but de ces travaux de thèse est de fournir une méthodologie basée sur des considérations issues de l'optimisation multi-objectif pour développer un outil de conception automatisé qui intègre des codes de simulation numérique pour évaluer les configurations. En premier lieu, les études concernent l'automatisation des procédures de simulation en insistant sur les aspects de génération automatique de maillage. Ensuite, le problème des temps de restitution liés à l'utilisation conjointe de techniques d'optimisation et de codes de calcul coûteux en ressources informatiques est adressé en proposant un algorithme basé sur des méta-modèles. L'outil final est construit à partir d'un coupleur de codes parallèles, lui conférant ainsi des caractéristiques intéressantes de performance et de flexibilité. Finalement, après divers tests de validation et d'évaluation, une application sur une chambre de combustion industrielle montre les capacités de la méthode à identifier des configurations prometteuses.